WO2000023715A1 - Pompe moleculaire - Google Patents

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WO2000023715A1
WO2000023715A1 PCT/BE1999/000127 BE9900127W WO0023715A1 WO 2000023715 A1 WO2000023715 A1 WO 2000023715A1 BE 9900127 W BE9900127 W BE 9900127W WO 0023715 A1 WO0023715 A1 WO 0023715A1
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support
stage
pump
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PCT/BE1999/000127
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Inventor
Pierre Vanden Brande
Alain Weymeersch
Original Assignee
Pierre Vanden Brande
Alain Weymeersch
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Priority to DK99948619T priority patent/DK1125065T3/da
Priority to AU61839/99A priority patent/AU763828B2/en
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Priority to AT99948619T priority patent/ATE220765T1/de
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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
    • F04D33/00—Non-positive-displacement pumps with other than pure rotation, e.g. of oscillating type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D19/00—Axial-flow pumps
    • F04D19/02—Multi-stage pumps
    • F04D19/04—Multi-stage pumps specially adapted to the production of a high vacuum, e.g. molecular pumps

Definitions

  • the present invention relates to a molecular vacuum pump for evacuating a gas from an enclosure and thus creating in this enclosure a high vacuum which is generally between 0.1 mbar and 10 ⁇ 8 mbar and preferably between 10 * and 10 "6 mbar.
  • a diffusion pump by the fact that use is made of fluids to evaporate there, such as hydrocarbons and silicones, the vapors of which serve as a pumping motor, problems of contamination of the enclosure, in which the vacuum must be created, occur by the backscattering of vapors from the pump into the enclosure. In addition, this evaporation and condensation of these fluids lead to very high energy and water consumption.
  • a diffusion pump must be strongly throttled to operate at a pressure greater than or equal to 10 ⁇ 3 mbar in the enclosure under penalty of strong pressure oscillations and significant contamination of the vacuum chamber. In general, this constriction strongly limits the volumetric flow rate of the pump.
  • a rotary molecular pump is only effective when the speed of rotation of the rotor is of the order of the speed of movement of the gas molecules, which implies very high speeds of rotation generally between 30,000 and 80,000. revolutions per minute depending on the size of the pump. It is only at these rotational speeds that the end of the rotor can reach its maximum speed, of the order of 500 m / s for the best pumps. An increase in speed is, in fact, not easily conceivable given the mechanical difficulties to be overcome. At these speeds, the rotor, generally made of aluminum alloy, is subjected to very high stresses which can reach up to 150 N / mm 2 .
  • One of the essential aims of the present invention is to propose a molecular pump which overcomes the drawbacks of these types of existing pumps.
  • the pump according to the invention comprises a substantially sealed box having on one of its sides an inlet opening, intended to be connected to the above-mentioned enclosure and, on its side opposite to the above-mentioned side, an opening of outlet, preferably intended to be connected to a discharge pump, acceleration elements being mounted between these two openings at a certain distance from each other at substantially fixed locations in the above-mentioned box for the passage of gas , said elements being such as to make it possible to involve molecules of the aforementioned gas, coming from the above-mentioned enclosure and coming in contact with these elements, a speed the result of which is oriented towards the outlet opening.
  • the above-mentioned elements cooperate with means making it possible to subject them to a vibration having a component oriented towards the outlet opening.
  • the aforementioned element comprises a piezoelectric material fixed on the aforementioned support and covered, on its face opposite to that facing the support, by an electrically conductive coating, means being provided for applying an alternating electric voltage to this element, so as to subject this piezoelectric material to a deformation in a direction transverse to the support and, consequently, to the above-mentioned coating a corresponding vibration.
  • Figure 1 is a schematic view in longitudinal section, along the line l-l of Figure 2, with partial broken lines, of a first embodiment of the pump according to the invention.
  • Figure 2 is a cross section along the line II-II in Figure 1.
  • Figure 3 is, on a larger scale, a cross-sectional view of an essential part of the pump according to this first embodiment.
  • FIG. 4 represents a variant of the embodiment shown in FIG. 3.
  • Figure 5 is a schematic view in longitudinal section similar to Figure 1 of a second embodiment of the pump according to the invention.
  • Figure 6 is a schematic view similar to Figures 1 and 5 of a third embodiment of the pump according to the invention.
  • FIG. 7 is, on a larger scale, a detailed view of part of FIG. 6.
  • Figure 8 is a detail view of a first variant of the embodiments according to the preceding figures.
  • Figure 9 is a detail view of a second variant of the embodiments according to the preceding figures.
  • the invention relates to a new type of vacuum pump mainly intended for pumping in a pressure zone of between 0.1 mbar and 10 "8 mbar. It is therefore a pump operating in a so-called molecular regime, that is to say a pump for which the collisions of the molecules with the walls of the pump strongly dominate the collisions between the molecules.
  • a first embodiment of such a pump has been shown in FIGS. 1 and 2. It comprises a box or watertight metal carcass 1 having, at one of its sides, an inlet opening 2 intended to be connected to an enclosure, not shown, in which a high vacuum must be created. An outlet opening 3 intended to be connected a discharge pump, also not shown, is provided on the opposite side of this box 1.
  • these elements 4 are such as to allow the molecules of the gas, coming from the above-mentioned enclosure and coming into contact with the elements 4, to involve a speed the result of which is oriented towards the outlet opening 3.
  • These elements 4 constitute the active parts of the pump and are placed in successive stages. They make it possible to pump the gas from the inlet opening 2 to the outlet opening 3 by increasing the pressure of the gas from stage to stage. This is obtained by subjecting, at each stage, the molecules of the gas to a deceleration sequence followed by an acceleration by the elements 4 of the latter towards the elements of the following stage.
  • the molecular pump according to the invention must have a high pumping speed at the stages near the inlet opening 2 and a lower pumping speed at the stages located near the outlet opening 3 where the pressure will therefore be the highest.
  • the aforementioned elements 4 are mounted on a fixed support 5, on the side of the latter, oriented towards the aforementioned outlet opening 3 and are produced in such a way as to be able to cooperate with means 9 making it possible to subject them to a vibration having a component oriented towards the outlet opening 3.
  • means are provided for maintaining the abovementioned support 5 at a substantially reduced temperature, for example at room temperature.
  • the support 5 and the box 1 are made of a caloriferous material, in particular metal, and are connected in a heat conductive manner to each other to a cooling circuit 8 supplied for example by surrounding water the box 1.
  • Each element 4 comprises a vibrating member 6 which, in the embodiment shown in FIG. 1, is formed by a layer of a piezoelectric material fixed on the metal support 5 and covered, on its opposite face to that oriented towards the support 5, by a coating formed of an electrically conductive material 7.
  • Means 9, formed by an alternating electrical voltage generator, in particular sinusoidal, are provided to allow the layer to be subjected to piezoelectric material 6 a deformation in a direction transverse to the support 5 and, therefore, to the above coating 7 a corresponding vibration.
  • the coating surface 7 subjected to this transverse vibration thus communicates a speed to the gas molecules essentially in the direction of pumping and in fact plays the role of the rotor of a turbomolecular pump.
  • the support 5 In order for the molecular pump, according to the invention, to be able to operate with maximum efficiency, the support 5 must be fixed relative to the frame of the pump, that is to say relative to the box 1 of the latter, while the surface 7 alone can be brought into transverse vibration under the effect of the intermediate layer 6 which is therefore preferably made of a piezoelectric material.
  • the vibration frequency and the amplitude thereof are linked by the fact that the speed of movement of the surface 7 must at least reach a speed of the order of the so-called "thermal" speed of the gas molecules under the conditions pumping.
  • the operating principle may vary.
  • the vibrating member 6 could be, for example, a magnetic vibrating device comprising an electromagnet, or an electrostatic device in which the support 5 and the surface 7 together form a capacitor subjected to an alternating electric voltage or a magnetostrictive transducer.
  • the polymeric piezoelectric materials and in particular the aforementioned polymers are particularly advantageous insofar as their low acoustic impedance (4.10 6 kgrrrV) and their low density make it possible to vibrate the surface 7 without communicating this vibration to the support 5 maintained at a relatively reduced temperature.
  • the characteristic dimension between two stages is preferably a few centimeters at most, while for a pressure of 0.01 mbar, this dimension increases to a few mm. and will be even more reduced for pressures of the order of 0.1 mbar.
  • the sealed box 1, in which the vibrating elements 4 are arranged has a cross section square or rectangular, as shown clearly in Figure 2, and the metal supports 5 are arranged in successive stages and staggered in this box.
  • These supports consist of blades extending parallel to each other between two opposite walls of the box 1.
  • these blades forming the supports 5 are cooled by thermal contact with these walls of the box 1.
  • These blades are located in parallel planes between them, each of these plans determining a floor. In each stage the blades are located at a certain distance from each other, thus allowing gas to pass from one stage to another.
  • each of the support blades 5 is coated with a piezoelectric PVDF film which is connected in an oscillating circuit 9, as shown in more detail in FIGS. 3 and 4, making it possible to vibrate this film in preference to a frequency close to its resonant frequency.
  • the free face of the PVDF film is vibrated while the support remains stationary.
  • This surface is covered with a metallic coating 7 allowing the polarization of the film and thus communicating kinetic energy to the molecules and atoms of gas, which are adsorbed therein, in the transverse direction relative to this coating 7 and in the direction of the outlet opening 3, that is to say the direction of pumping, as indicated by the arrow 11.
  • the PVDF film is electrically excited by means of an oscillating circuit. In the embodiment shown in FIG.
  • this oscillating circuit comprises an alternating electric voltage generator 9 'which is connected, on the one hand, to the conductive coating 7 deposited on the piezoelectric film 6 and, on the other hand , to the metal support 5.
  • the piezoelectric material 6, whose initial direction of polarization, shown by the arrow 6 ', is reversed from layer to layer
  • the layers 6 are coated with a conductive film of the electricity 7 allowing them to be independently connected to ground and to an alternating voltage generator 9.
  • the PVDF film can be either directly in contact with the support 5 if the latter is electrically conductive, or beforehand coated with a conductive film if the support 5 is not electrically conductive.
  • FIG. 5 represents a second embodiment of a preferred configuration of the vibrating elements 4 in the box 1.
  • the first stages of the pump that is to say those close to the inlet opening 2 are inclined relative to the longitudinal axis of the box 1 by an angle of the 45 ° order to increase the pumping speed. In the subsequent areas of box 1, this angle decreases more and more, so that the stages become tighter to be horizontal near the outlet opening 3.
  • the pumping rate is relatively high for a relatively low pressure
  • the volumetric pumping rate decreasing and the pressure increasing as the advancement in the box as a result of the conservation of the mass flow for all pump stages in steady state.
  • four floor areas 12, 13, 14 and 15 have been shown. In each of them, the supports are mounted in a well-defined position.
  • Figure 6 relates to a third preferred configuration of the shape and arrangement of the supports 5 and the vibrating elements 4.
  • Figure 7 shows a detail of this same figure.
  • the supports 5 are staggered and have a cross section having substantially the shape of an isosceles triangle whose apex is oriented towards the inlet opening 2.
  • the inclination of the oblique lateral sides 16 of these supports is such as to allow maximum reflection of the gas molecules striking these sides towards the base 17 of the supports provided with the vibrating element 7, as shown by the arrows 18.
  • the distance between the supports 5 is maximum in order to create a passage 10 which is at most for the molecules reflected by one stage towards the following stage of vibrating elements .
  • the stages come closer and closer to each other and the passage sections 10 become more reduced.
  • the height of the triangular supports 5 also decreases and the oblique sides 16 have a concave shape whose curvature is fixed in depending on the opening of passage 10 so that a maximum of molecules are transmitted to the next stage.
  • FIGS. 6 and 7 An important feature of the configuration shown in FIGS. 6 and 7 is the presence of vibrating elements 19 similar to elements 4 and partially covering the oblique lateral sides 16 of the supports 5.
  • these elements 19 consist of an intermediate layer 21 of preferably made of a piezoelectric material covered with a conductive coating 20, and partially face the elements 4 of the previous stage.
  • These elements 19 make it possible to communicate kinetic energy to the molecules during a series of successive collisions with these vibrating elements rather than during a single collision while bringing the molecules substantially towards the passage 10 allowing access on the next floor.
  • the kinetic energy of the excited molecules decreases during collisions with the parts of the oblique sides 16 not covered by the elements 19, which thus causes an increase in pressure on this stage (P2) compared to the pressure prevailing on the previous stage (P1).
  • These uncovered parts of the supports of a given stage preferably correspond to the projection of the surface of the passage 10 between two consecutive supports of the preceding stage on the oblique sides 16 of the supports of this determined stage. This has been indicated in FIG. 7 by the projection lines 22.
  • the essential advantage of this configuration is to allow the kinetic energy required to pump molecules to be communicated in several stages, which has the practical consequence of making it possible to work with values of the product of the pulsation and the amplitude of the vibration less than 500 m / s.
  • the base of the triangle could have a curved shape, both concave and convex.
  • the vibrating element 4 could possibly undergo, during its vibration, an amplified deformation and pass alternately from a concave or planar shape to a convex or concave shape, so as to thus obtain an increase in the amplitude of the vibration.
  • the vibrating element could be formed by a flexible blade held by its two ends in the support 5 in order to be able to undergo, under the effect of the oscillating circuit 9, a deformation from a substantially flat position, when rest state, in a bent position, in the excited state, as shown in Figure 8.
  • the vibrating element 4 could consist of a piezoelectric blade fixed at a point 23 to the support 5 and undergo, under the effect of the oscillating circuit 9, a displacement between a rest position and a distorted position, somewhat like a bimetallic strip. Such a variant has been illustrated in FIG. 9.
  • This example relates to a molecular pump of the type as shown in FIG. 6 and comprises 30 superimposed horizontal stages in which the supports 5 of the vibrating elements 4 are mounted in staggered rows.
  • Each of these supports 5 has the following transverse dimensions: 700 mm x 15 mm and are distributed in a box of rectangular horizontal section of 700 mm x 600 mm.
  • Each stage consists of 20 rectangular supports 5 of triangular appearance arranged in a similar manner to that of FIG. 6. These supports 5 are cooled by thermal contact with the side walls of the box 1 of the pump, itself cooled by a water circuit 8.
  • a PVDF film 6 partially facing the PVDF films 20 fixed on a part of the sides 16 of the supports 5 of the next stage.
  • Piezoelectric films which are excited at a frequency close to their resonance frequency of the order of 10 MHz make it possible to achieve a compression ratio of 2 from one stage to the other of the pump for a gas formed from nitrogen. .
  • This makes it possible to obtain a maximum compression ratio of 10 9 for the aforementioned 30 stages of the pump.
  • the nominal pumping speed is 24,000 l / s for nitrogen at 25 ° C and the maximum mass flow achieved is 24 mbar.litre.sec 1 or 86.4 mbar.m 3 / h.
  • the elements can be constituted by means of a very varied nature.
  • the dipole was formed by a fixed part and a vibrating part.
  • the box 1 can be placed in different positions, for example with the inlet opening 2 oriented downwards or to the side.
  • This box 1 could also have other geometries than a prismatic shape. Thus, it could for example have a cylindrical shape with circular section.

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Abstract

L'invention est relative à une pompe moléculaire permettant d'évacuer un gaz d'une enceinte et de créer ainsi dans cette dernière un vide poussé, comprenant une boîte sensiblement étanche (1) présentant à un de ses côtés une ouverture d'entrée (2), destinée à être raccordée à l'enceinte susdite et, à son côté opposé au côté susdit, une ouverture de sortie (3), de préférence destinée à être connectée à une pompe de décharge, des éléments (4) étant montés entre ces deux ouvertures (2 et 3) à une certaine distance l'un de l'autre en des endroits sensiblement fixes dans la boîte susdite (1) pour le passage du gaz, lesdits éléments (4) étant tels à permettre d'impliquer aux molécules du gaz précité, provenant de l'enceinte susdite et venant en contact avec ces éléments (4), une vitesse dont la résultante est orientée vers l'ouverture de sortie (3).

Description

"Pompe moléculaire"
La présente invention est relative à une pompe moléculaire à vide permettant d'évacuer un gaz d'une enceinte et de créer ainsi dans cette enceinte un vide poussé qui est généralement compris entre 0,1 mbar et 10~8 mbar et préférentiellement entre 10 * et 10"6 mbar.
Actuellement, lorsque l'on désire maintenir une pression de l'ordre de 10"5 à 10"7 mbar par exemple afin d'évaporer un matériau sous vide ou encore lorsqu'il est nécessaire de maintenir des pressions de l'ordre de 10"2 à 10"5 mbar dans la mise en oeuvre d'un procédé plasma, par exemple, on fait usage de pompes moléculaires permettant de fonctionner dans cette gamme de pressions. La pression d'équilibre requise est obtenue en équilibrant le débit d'introduction des gaz avec le débit de pompage du système à un certain niveau. La vitesse de pompage de la pompe est généralement fixée (volume par unité de temps), la régulation de la pression s'obtient au moyen de la régulation du débit de fuite dans la chambre à vide. Il faut encore remarquer que lorsqu'aucun gaz n'est introduit, la pression ne chute pas indéfiniment mais atteint ce que l'on appelle la pression limite du système résultant de l'équilibre entre les fuites inhérentes à toute installation et la vitesse du groupe de pompage installé.
Pour la gamme de pression mentionnée, deux types de pompes sont pratiquement utilisées : d'une part, les pompes dites à diffusion et basées sur l'entraînement du gaz de l'enceinte, dans laquelle le vide doit être créé, par l'éjection de gaz au moyen d'une série de tuyères concentriques intégrées au corps de pompe et, d'autre part, les pompes à entraînement moléculaire rotatives (turbomoléculaires et "molecular drag pump") entraînant les molécules de gaz qui entrent en collision avec le rotor de la pompe. Ces deux types de pompes présentent tous les deux des inconvénients importants. En effet, dans une pompe à diffusion, par le fait que l'on y fait usage de fluides à évaporer, tels que des hydrocarbures et des silicones, dont les vapeurs servent de moteur au pompage, des problèmes de contamination de l'enceinte, dans laquelle le vide doit être créé, se produisent par la rétrodiffusion de vapeurs de la pompe dans l'enceinte. De plus, cette évaporation et la condensation de ces fluides entraînent une très forte consommation énergétique et en eau. En outre, une pompe à diffusion doit être fortement étranglée pour fonctionner à une pression supérieure ou égale à 10~3 mbar dans l'enceinte sous peine de fortes oscillations en pression et d'une contamination importante de la chambre à vide. En général, cet étranglement limite fortement le débit volumétrique de la pompe.
Par ailleurs, une pompe moléculaire rotative n'est efficace que lorsque la vitesse de rotation du rotor est de l'ordre de la vitesse de déplacement des molécules de gaz, ce qui implique de très grandes vitesses de rotation comprises en général entre 30.000 et 80.000 tours par minute en fonction de la taille de la pompe. Ce n'est qu'à ces vitesses de rotation que l'extrémité du rotor peut atteindre sa vitesse maximale, de l'ordre de 500 m/s pour les meilleures pompes. Une augmentation de vitesse n'est, en effet, pas envisageable facilement étant donné les difficultés mécaniques à vaincre. A ces vitesses, le rotor, généralement en alliage d'aluminium, est soumis à des contraintes très importantes pouvant atteindre jusqu'à 150 N/mm2. Il est donc très important, afin d'éviter un crash du rotor contre le stator, que le rotor soit parfaitement positionné (au μm près) et équilibré par des méthodes avancées en équilibrage dynamique sous vide à vitesse nominale. L'usinage et surtout l'équilibrage constitue donc un coût très élevé dans le prix de revient d'une pompe moléculaire rotative. Parmi tous les problèmes liés à l'utilisation d'une pompe moléculaire rotative on peut citer, plus particulièrement : - l'usure importante des paliers mécaniques nécessite généralement l'utilisation de paliers magnétiques ou à gaz très onéreux ;
- en cas d'utilisation de paliers mécaniques, l'emploi de lubrifiant peut conduire à une contamination dans l'enceinte qui, même si elle est négligeable par rapport à ce qui est obtenu avec une pompe à diffusion, peut être critique dans certaines applications ;
- en présence d'un champ magnétique supérieur à 10 mT, l'emploi des pompes moléculaires rotatives à rotor conducteur est fortement compliqué par la présence de courants induits conduisant à un échauffement excessif de ce dernier ; - l'augmentation des vitesses de pompage de ce type de pompe est rendu difficile et onéreux au-delà de 5000 l/s étant donné les outillages nécessaires à l'usinage et à l'équilibrage de ces pompes.
Un des buts essentiels de la présente invention est de proposer une pompe moléculaire qui permet de remédier aux inconvénients de ces types de pompes existantes.
A cet effet, la pompe suivant l'invention, comprend une boîte sensiblement étanche présentant à un de ses côtés une ouverture d'entrée, destinée à être raccordée à l'enceinte susdite et, à son côté opposé au côté susdit, une ouverture de sortie, de préférence destinée à être connectée à une pompe de décharge, des éléments d'accélération étant montés entre ces deux ouvertures à une certaine distance l'un de l'autre en des endroits sensiblement fixes dans la boîte susdite pour le passage du gaz, lesdits éléments étant tels à permettre d'impliquer aux molécules du gaz précité, provenant de l'enceinte susdite et venant en contact avec ces éléments, une vitesse dont la résultante est orientée vers l'ouverture de sortie.
Avantageusement, les éléments susdits coopèrent avec des moyens permettant de les soumettre à une vibration présentant une composante orientée vers l'ouverture de sortie.
Suivant une forme de réalisation préférentielle de la pompe, suivant l'invention, l'élément précité comprend une matière piézoélectrique fixée sur le support précité et recouverte, sur sa face opposée à celle orientée vers le support, par un revêtement conducteur d'électricité, des moyens étant prévus pour appliquer sur cet élément une tension électrique alternative, de manière à faire subir à cette matière piézo-électrique une déformation suivant une direction transversale au support et, par conséquent, au revêtement susdit une vibration correspondante. D'autres particularités et avantages de la pompe, suivant l'invention, ressortiront de la description donnée, ci-après, à titre d'exemples non limitatifs de quelques formes de réalisation particulières de cette pompe, avec référence aux dessins annexés.
La figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale, suivant la ligne l-l de la figure 2, avec brisures partielles, d'une première forme de réalisation de la pompe suivant l'invention.
La figure 2 est une coupe transversale suivant la ligne ll-ll de la figure 1.
La figure 3 est, à plus grande échelle, une vue en coupe transversale d'une partie essentielle de la pompe suivant cette première forme de réalisation.
La figure 4 représente une variante de la forme de réalisation montrée à la figure 3. La figure 5 est une vue schématique en coupe longitudinale analogue à la figure 1 d'une deuxième forme de réalisation de la pompe suivant l'invention.
La figure 6 est une vue schématique analogue aux figures 1 et 5 d'une troisième forme de réalisation de la pompe suivant l'invention.
La figure 7 est, à plus grande échelle, une vue de détail d'une partie de la figure 6.
La figure 8 est une vue de détail d'une première variante des formes de réalisation suivant les figures précédentes. La figure 9 est une vue de détail d'une deuxième variante des formes de réalisation suivant les figures précédentes.
Dans les différentes figures, les mêmes chiffres de référence concernent des parties analogues ou identiques.
L'invention concerne un nouveau type de pompe à vide principalement destinée au pompage dans une zone de pressions comprise entre 0,1 mbar et 10"8 mbar. Il s'agit donc d'une pompe fonctionnant en régime dit moléculaire, c'est-à-dire une pompe pour laquelle les collisions des molécules avec les parois de la pompe dominent fortement les collisions entre les molécules. Une première forme de réalisation d'une telle pompe a été représentée aux figures 1 et 2. Elle comprend une boîte ou carcasse métallique étanche 1 présentant, à un de ses côtés, une ouverture d'entrée 2 destinée à être raccordée à une enceinte, non représentée, dans laquelle il y a lieu de créer un vide poussé. Une ouverture de sortie 3 destinée à être connectée à une pompe de décharge, également non représentée, est prévue au côté opposé de cette boîte 1.
A l'intérieur de la boîte 1 sont répartis une série d'éléments d'accélération 4 s'étendant entre ces deux ouvertures 2 et 3, à une certaine distance les uns des autres, en des endroits fixes et entre lesquels sont ménagés des passages 10 pour le gaz à évacuer. Suivant l'invention, ces éléments 4 sont tels à permettre d'impliquer aux molécules du gaz, provenant de l'enceinte susdite et venant en contact avec les éléments 4, une vitesse dont la résultante est orientée vers l'ouverture de sortie 3. Ces éléments 4 constituent les parties actives de la pompe et sont placés en des étages successifs. Ils permettent de pomper le gaz à partir de l'ouverture d'entrée 2 vers l'ouverture de sortie 3 en augmentant la pression du gaz d'étage en étage. Ceci est obtenu en soumettant, à chaque étage, les molécules du gaz à une séquence de décélération suivie d'une accélération par les éléments 4 de ce dernier vers les éléments de l'étage suivant.
Ainsi, la pompe moléculaire suivant l'invention doit présenter une vitesse de pompage élevée aux étages à proximité de l'ouverture d'entrée 2 et une vitesse de pompage plus faible aux étages se situant à proximité de l'ouverture de sortie 3 où la pression sera donc la plus élevée.
En effet, en régime stationnaire, le débit massique est constant dans chaque étage de la pompe, c'est-à-dire que le produit de la vitesse de pompage et la pression est constant d'étage en étage. Pour permettre d'augmenter la pression du gaz d'étage en étage, il faut donc que la vitesse de pompage diminue en proportion, ce qui se traduit, en pratique, par une section de passage 10 pour le gaz d'un étage à l'autre décroissante vers l'ouverture de sortie 3.
C'est pour cette raison que, suivant l'invention, les étages de pompage dits de "haute pression" et se situant donc à proximité de l'ouverture de sortie 3 sont plus serrés que les étages de pompage dits de "basse pression" se situant à proximité de l'ouverture d'entrée 2.
Avantageusement, les éléments susdits 4 sont montés sur un support fixe 5, du côté de ces derniers, orienté vers l'ouverture de sortie précitée 3 et sont réalisés d'une manière telle à pouvoir coopérer avec des moyens 9 permettant de les soumettre à une vibration présentant une composante orientée vers l'ouverture de sortie 3.
De plus, des moyens sont prévus pour maintenir le support précité 5 à une température sensiblement réduite, par exemple à la température ambiante.
A cet égard, le support 5 et la boîte 1 sont réalisés en une matière calorifère, notamment en métal, et sont reliés d'une manière conductrice de la chaleur entre eux à un circuit de refroidissement 8 alimenté par exemple par de l'eau entourant la boîte 1. Chaque élément 4 comprend un organe vibrant 6 qui, dans la forme de réalisation représentée à la figure 1 , est formé par une couche d'une matière piézo-électrique fixée sur le support métallique 5 et recouverte, sur sa face opposée à celle orientée vers le support 5, par un revêtement formé d'une matière conductrice de l'électricité 7. Des moyens 9, formés par un générateur de tension électrique alternative, notamment sinusoïdale, sont prévus pour permettre de faire subir à la couche en matière piézo-électrique 6 une déformation suivant une direction transversale au support 5 et, par conséquent, au revêtement susdit 7 une vibration correspondante. La surface de revêtement 7 soumise à cette vibration transversale communique ainsi une vitesse aux molécules de gaz essentiellement dans le sens du pompage et joue en fait le rôle du rotor d'une pompe turbomoléculaire.
Pour que ce pompage puisse avoir lieu avec un bon taux de compression, les molécules ainsi excitées doivent être ralenties avant de passer d'un étage à l'étage suivant où elles seront à nouveau accélérées. Ce ralentissement s'obtient lorsque les molécules excitées entrent en collision avec les parties du support 5 non soumises à une vibration et maintenues à une température relativement réduite, comme mentionné ci-dessus. Ce support 5 joue donc le rôle du stator d'une pompe turbomoléculaire.
Pour que la pompe moléculaire, suivant l'invention, puisse fonctionner avec un maximum de rendement, le support 5 doit être fixe par rapport au bâti de la pompe, c'est-à-dire par rapport à la boîte 1 de cette dernière, alors que la surface 7 seule peut être mise en vibration transversale sous l'effet de la couche intermédiaire 6 qui est donc de préférence réalisée en une matière piézo-électrique.
La fréquence de vibration et l'amplitude de celle-ci sont liées par le fait que la vitesse de déplacement de la surface 7 doit au moins atteindre une vitesse de l'ordre de la vitesse dite "thermique" des molécules de gaz dans les conditions de pompage.
Ainsi, pour le pompage d'azote à une température de l'ordre de 25°C, il faut atteindre avantageusement une vitesse de l'ordre de 500 m/sec. Ceci correspond à une pulsation de 500 krad/s pour une amplitude de 1 mm, une pulsation de 5 Mrad/s pour une amplitude de 100 μm ou encore une pulsation de 50 Mrad/s pour une amplitude de 10 μm.
En fonction de la pulsation (ou ce qui revient au même de la fréquence) et de l'amplitude du déplacement de la surface 7 vibrante, le principe de fonctionnement peut varier.
Au lieu d'être constitué d'une matière piézo-électrique, l'organe vibrant 6 pourrait être, par exemple, un dispositif de mise en vibration magnétique comprenant un électro-aimant, ou un dispositif électrostatique dans lequel le support 5 et la surface 7 forment ensemble un condensateur soumis à une tension électrique alternative ou encore un transducteur magnétostrictif.
Dans le cas, toutefois, d'une couche intermédiaire 6 entre le support 5 et la surface 7 d'une matière piézo-électrique, comme par exemple dans la forme de réalisation représentée aux figures 1 et 2, des fréquences relativement élevées peuvent être obtenues par exemple à la fréquence de résonance de cette matière piézo-électrique. De cette façon, des fréquences de l'ordre de 20 MHz peuvent être obtenues avec, comme matière piézo-électrique, des zirconates et titanates de plomb (PZT), alors que des fréquences pouvant dépasser les 100 MHz peuvent être atteintes avec des copolymères du type PVDF.
Suivant l'invention, les matériaux piézo-électriques polymériques et en particulier les polymères précités sont particulièrement intéressants dans la mesure où leur faible impédance acoustique (4.106 kgrrrV) et leur faible densité permettent de mettre en vibration la surface 7 sans communiquer cette vibration au support 5 maintenu à une température relativement réduite.
Comme déjà signalé ci-dessus, par suite de l'augmentation de la pression du gaz pompé vers l'ouverture de sortie 3, il y a lieu d'adapter aussi bien la section de passage 10 d'un étage à l'autre que la distance entre les étages successifs pour se conformer à la diminution du libre parcours moyen entre la collision élastique des molécules pompées, si l'on veut conserver le régime moléculaire.
Par exemple, à une pression d'azote supérieure ou égale à 0,001 mbar, la dimension caractéristique entre deux étages est de préférence de quelques centimètres au plus, tandis que pour une pression de 0,01 mbar, cette dimension passe à quelques mm. et sera encore plus réduite pour des pression de l'ordre de 0,1 mbar.
Entre autres pour cette raison, différents types de géométrie et de dispositions des supports et éléments vibrants 4 peuvent être considérés pour réaliser les différents étages de pompage.
Tout d'abord, en ce qui concerne la première forme de réalisation, telle que montrée aux figures 1 et 2, qui constitue une des configurations préférentielles, la boîte étanche 1 , dans laquelle sont agencés les éléments vibrants 4, présente une section transversale carrée ou rectangulaire, comme montré clairement à la figure 2, et les supports métalliques 5 sont disposés par étage successifs et en quinconce dans cette boîte. Ces supports sont constitués de lames s'étendant parallèlement entre elles entre deux parois opposées de la boîte 1. Ainsi, ces lames formant les supports 5 sont refroidies par contact thermique avec ces parois de la boîte 1. Ces lames sont situées dans des plans parallèles entre eux, chacun de ces plans déterminant un étage. Dans chaque étage les lames se situent à une certaine distance les unes des autres pour permettre ainsi au gaz de passer d'un étage à l'autre.
La face inférieure de chacune des lames de support 5 est revêtue par un film de PVDF piézo-électrique qui est branché dans un circuit oscillant 9, comme montré plus en détail aux figures 3 et 4, permettant de faire vibrer ce film de préférence à une fréquence proche de sa fréquence de résonance.
Du fait de sa faible masse et de sa faible impédance acoustique en comparaison avec celles de la lame de support 5, la face libre du film de PVDF est mise en vibration pendant que le support reste immobile. Cette surface est recouverte d'un revêtement métallique 7 permettant la polarisation du film et communiquant ainsi de l'énergie cinétique aux molécules et atomes de gaz, qui s'y adsorbent, dans la direction transversale par rapport à ce revêtement 7 et dans le sens de l'ouverture de sortie 3, c'est-à-dire le sens du pompage, comme indiqué par la flèche 11. Comme déjà mentionné ci-dessus, le film de PVDF est excité électriquement au moyen d'un circuit oscillant. Dans la forme de réalisation montrée à la figure 3, ce circuit oscillant comprend un générateur de tension électrique alternative 9' qui est raccordé, d'une part, au revêtement conducteur 7 déposé sur le film piézo-électrique 6 et, d'autre part, au support métallique 5. Dans la forme de réalisation montrée à la figure 4, le matériau piézo-électrique 6, dont le sens de polarisation initial, montré par la flèche 6', est inversé de couche en couche Les couches 6 sont revêtues d'un film conducteur de l'électricité 7 permettant de les raccorder indépendamment à la masse et à un générateur de tension alternative 9. Cette configuration présente un avantage considérable car elle permet :
- de maintenir à la masse le support 5 aussi bien que la surface externe 7 impliquant les vibrations aux molécules ; - pour une valeur du champ électrique appliqué déterminée, cette configuration permet de travailler avec des tensions électriques nominales plus basses pour des épaisseurs actives théoriquement aussi élevées que nécessaire puisque le champ est appliqué dans les couches successives; - cette configuration permet en outre de travailler avec une épaisseur active quelconque à des fréquences élevées proches de la fréquence de résonance des couches constitutives 6, étant donné que la fréquence de résonance augmente lorsque l'épaisseur d'une couche 6 diminue. Le film de PVDF peut être soit directement en contact avec le support 5 si ce dernier est conducteur de l'électricité, soit au préalable revêtu d'un film conducteur si le support 5 n'est pas conducteur de l'électricité.
La figure 5 représente une deuxième forme de réalisation d'une configuration préférentielle des éléments vibrants 4 dans la boîte 1.
Dans cette configuration, les premiers étages de la pompe, c'est-à-dire ceux à proximité de l'ouverture d'entrée 2, sont inclinés par rapport à l'axe longitudinal de la boîte 1 d'un angle de l'ordre de 45° afin d'augmenter la vitesse de pompage. Dans les zones subséquentes de la boîte 1 , cet angle diminue de plus en plus, de sorte que les étages deviennent plus serrés pour être horizontaux à proximité de l'ouverture de sortie 3. La raison en est, comme déjà exposé ci-dessus, qu'au départ le débit de pompage est relativement élevé pour une pression relativement faible, le débit volumétrique de pompage diminuant et la pression augmentant au fur et à mesure de l'avancement dans la boîte par suite de la conservation du débit massique pour tous les étages de la pompe en régime stationnaire. Dans la figure 5, quatre zones d'étage 12, 13, 14 et 15 ont été représentées. Dans chacune d'elles, les supports sont montés dans une position bien déterminée.
La figure 6 se rapporte à une troisième configuration préférentielle de la forme et de la disposition des supports 5 et des éléments vibrants 4. La figure 7 représente un détail de cette même figure.
Dans la zone 12, à proximité de l'ouverture d'entrée 2, les supports 5 sont disposés en quinconce et présentent une section transversale ayant sensiblement l'allure d'un triangle isocèle dont le sommet est orienté vers l'ouverture d'entrée 2. Comme montré plus clairement à la figure 7, l'inclinaison des côtés latéraux obliques 16 de ces supports est telle à permettre une réflexion maximum des molécules de gaz frappant ces côtés vers la base 17 des supports munis de l'élément vibrant 7, comme montré par les flèches 18. De plus, dans cette première zone 12, la distance entre les supports 5 est maximale afin de créer un passage 10 qui est au maximum pour les molécules réfléchies par un étage vers l'étage suivant d'éléments vibrants. Dans les zones suivantes, les étages se rapprochent de plus en plus l'un de l'autre et les sections de passage 10 deviennent plus réduites. De plus, la hauteur des supports triangulaires 5 diminue également et les côtés obliques 16 présentent une forme concave dont la courbure est fixée en fonction de l'ouverture du passage 10 de manière telle qu'un maximum de molécules soient transmises vers l'étage suivant.
Une particularité importante de la configuration représentée aux figures 6 et 7 est la présence d'éléments vibrants 19 analogues aux éléments 4 et recouvrant partiellement les côtés latéraux obliques 16 des supports 5. Ainsi, ces éléments 19 sont constitués d'une couche intermédiaire 21 de préférence réalisé en une matière piézo-électrique recouverte d'un revêtement conducteur 20, et font partiellement face aux éléments 4 de l'étage précédent. Ces éléments 19 permettent de communiquer de l'énergie cinétique aux molécules au cours d'une série de collisions successives avec ces éléments vibrants plutôt qu'au cours d'une seule collision tout en amenant sensiblement les molécules vers le passage 10 permettant l'accès à l'étage suivant. A l'étage suivant, l'énergie cinétique des molécules excitées diminue au cours des collisions avec les parties des côtés obliques 16 non recouvertes par les éléments 19, ce qui provoque ainsi une augmentation de pression à cet étage (P2) par rapport à la pression régnant à l'étage précédent (P1 ).
Ces parties non couvertes des supports d'un étage déterminé correspondent de préférence à la projection de la superficie du passage 10 entre deux supports consécutifs de l'étage précédent sur les côtés obliques 16 des supports de cet étage déterminé. Ceci a été indiqué sur la figure 7 par les lignes de projection 22.
L'avantage essentiel de cette configuration est de permettre de communiquer l'énergie cinétique nécessaire au pompage des molécules en plusieurs étapes, ce qui a pour conséquence pratique de permettre de travailler avec des valeurs du produit de la pulsation et de l'amplitude de la vibration inférieures à 500 m/s.
Ainsi, il est possible d'augmenter le taux de compression d'un étage à l'étage suivant comparé à l'utilisation de supports à section purement triangulaire. D'autres variantes de configuration pour les supports 5 et éléments vibrants 4 peuvent être envisagés.
Ainsi, la base du triangle pourrait présenter une forme courbe, aussi bien concave que convexe. Par ailleurs, l'élément vibrant 4 pourrait éventuellement subir, lors de sa vibration, une déformation amplifiée et passer alternativement d'une forme concave ou plane à une forme convexe ou concave, de manière à obtenir ainsi un accroissement de l'amplitude de la vibration. Dans une telle variante, l'élément vibrant pourrait être formé par une lame flexible tenue par ses deux extrémités dans le support 5 pour pouvoir subir, sous l'effet du circuit oscillant 9, une déformation d'une position sensiblement plane, à l'état de repos, en une position courbée, dans l'état excité, comme montré à la figure 8.
Dans une autre configuration encore, l'élément vibrant 4 pourrait être constitué d'une lame piézo-électrique fixée en un point 23 au support 5 et subir, sous l'effet du circuit oscillant 9, un déplacement entre une position de repos et une position déformée, quelque peu de la même façon qu'un bilame. Une telle variante a été illustrée à la figure 9.
Dans ces figures 8 et 9, la position dans l'état excité a été représentée en traits interrompus. Ci-après est donné un exemple concret permettant d'illustrer davantage l'objet de la présente invention.
Cet exemple concerne une pompe moléculaire du type tel que montré à la figure 6 et comprend 30 étages horizontaux superposés dans lesquels les supports 5 des éléments vibrants 4 sont montés en quinconce. Chacun des ces supports 5 présente les dimensions transversales suivantes : 700 mm x 15 mm et sont répartis dans une boîte de section horizontale rectangulaire de 700 mm x 600 mm.
Chaque étage est constitué de 20 supports rectangulaires 5 d'allure triangulaire disposés de manière similaire à celle de la figure 6. Ces supports 5 sont refroidis par contact thermique avec les parois latérales de la boîte 1 de la pompe, elle-même refroidie par un circuit d'eau 8.
Sur la face inférieure 17 des supports est fixé un film de PVDF 6 faisant partiellement face aux films de PVDF 20 fixés sur une partie des côtés 16 des supports 5 de l'étage suivant. Les films piézoélectriques qui sont excités à une fréquence proche de leur fréquence de résonance de l'ordre de 10 MHz permettent d'atteindre un taux de compression de 2 d'un étage à l'autre de la pompe pour un gaz formé d'azote. Ceci permet d'obtenir un taux de compression maximum de 109 pour les 30 étages précités de la pompe. La vitesse nominale de pompage est de 24.000 l/s pour de l'azote à 25°C et le débit massique maximal atteint est de 24 mbar.litre.sec1 ou 86,4 mbar.m3/h.
Pour une pression d'azote mesurée à l'ouverture d'entrée 2 et valant 5.10"3 mbar, on observe une pression de l'ordre de 0,03 mbar à l'ouverture de sortie 3 où est connectée une pompe de décharge formée d'une pompe "Roots" de 3000 m3/h. Ainsi, le taux de compression pratique de cette pompe moléculaire est de 6 pour une vitesse de pompage de 4800 l/s dans ces conditions de fonctionnement. II est bien entendu que l'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites ci-dessus et représentées aux figures annexées, mais que bien des variantes peuvent être envisagées, notamment en ce qui concerne la configuration des supports et des éléments vibrants utilisés dans la boîte étanche de cette pompe. Ainsi, le support d'un étage pourrait être formé par une plaque ajourée sur la face de celle-ci, orientée vers l'ouverture de sortie 3, sont fixés les éléments vibrants.
Par ailleurs, les éléments peuvent être constitués par des moyens de nature très variée. En fait, il suffit, suivant l'invention, de créer dans la boîte étanche de la pompe, une succession de dipôles orientés de l'ouverture de l'entrée vers l'ouverture de sortie. Dans les formes de réalisation décrites ci-dessus, le dipôle était formé par une partie fixe et une partie vibrante. On pourrait ainsi également envisager un dipôle formé par une partie froide et une partie chaude séparées l'une de l'autre par un isolant.
Enfin, la boîte 1 peut être placée dans différentes positions, par exemple avec l'ouverture d'entrée 2 orientée vers le bas ou vers le côté. Cette boîte 1 pourrait aussi présenter d'autres géométries qu'une forme prismatique. Ainsi, elle pourrait par exemple présenter une forme cylindrique à section circulaire.

Claims

REVENDICATIONS
1. Pompe moléculaire permettant d'évacuer un gaz d'une enceinte et de créer ainsi dans cette dernière un vide poussé, caractérisée en ce qu'elle comprend une boîte sensiblement étanche (1 ) présentant à un de ses côtés une ouverture d'entrée (2), destinée à être raccordée à l'enceinte susdite et, à son côté opposé au côté susdit, une ouverture de sortie (3), de préférence destinée à être connectée à une pompe de décharge, des éléments (4) étant montés entre ces deux ouvertures (2) et (3) à une certaine distance l'un de l'autre en des endroits sensiblement fixes dans la boîte susdite (1 ) pour le passage du gaz, lesdits éléments (4) étant tels à permettre d'impliquer aux molécules du gaz précité, provenant de l'enceinte susdite et venant en contact avec ces éléments (4), une vitesse dont la résultante est orientée vers l'ouverture de sortie (3).
2. Pompe suivant la revendication 1 , caractérisée en ce que les éléments précités (4) sont placés en des étages successifs, éventuellement rassemblées en zones d'étages (12, 13, 14, 15, ...) entre les ouvertures d'entrée (2) et de sortie (3) d'une manière telle à permettre le passage des molécules d'un étage à l'étage suivant en étant soumis, à chaque étage, à une accélération par les éléments (4) de ce dernier vers les éléments de l'étage suivant.
3. Pompe suivant la revendication 2, caractérisée en ce que la distance entre les éléments (4) de deux étages successifs décroît à partir de l'ouverture d'entrée (2) vers l'ouverture de sortie (3).
4. Pompe suivant l'une quelconque des revendications 1 à
3, caractérisée en ce que les éléments précités (4) sont disposés en quinconce.
5. Pompe suivant l'une quelconque des revendications 1 à
4, caractérisée en ce que les éléments susdits (4) sont montés sur un support fixe (5), du côté de ce dernier orienté vers l'ouverture de sortie précitée (3), et coopèrent avec des moyens (9) permettant de les soumettre à une vibration présentant une composante orientée vers l'ouverture de sortie (3).
6. Pompe suivant la revendication 5, caractérisée en ce que des moyens sont prévus pour maintenir le support précité (5) à une température sensiblement réduite, par exemple à la température ambiante.
7. Pompe suivant la revendication 6, caractérisée en ce que le support (5) et la boîte (1 ) sont réalisés en une matière calorifère et sont reliés d'une manière conductrice entre eux, les moyens précités pour maintenir le support à une température relativement réduite comprenant un circuit de refroidissement (8) entourant la boîte susdite
(1 )-
8. Pompe suivant l'une quelconque des revendications 5 à
7, caractérisée en ce que l'élément précité (4) comprend une matière piézo-électrique (6) fixée sur le support précité (5) et recouverte, sur sa face opposée à celle orientée vers le support, par un revêtement conducteur d'électricité (7), des moyens (9) étant prévus pour appliquer sur cet élément (4) une tension électrique alternative, de manière à faire subir à cette matière piézo-électrique (6) une déformation suivant une direction transversale au support (5) et, par conséquent, au revêtement susdit (7) une vibration correspondante.
9. Pompe suivant la revendication 8, caractérisée en ce que la face de la matière piézo-électrique (6) en contact avec le support (5) et le revêtement (7) sont mis à la masse.
10. Pompe suivant l'une ou l'autre des revendications 8 ou
9, caractérisée en ce que la matière piézo-électrique (6) fait partie d'une lame flexible montée sur le support et pouvant subir une déformation élastique sous l'effet de la tension électrique alternative susdite.
11. Pompe suivant l'une quelconque des revendications 5 à 10, caractérisée en ce que les supports (5) sont disposés en quinconce et présentent une section transversale ayant l'allure d'un triangle isocèle dont le sommet est orienté vers le côté de la boîte (1 ) dans lequel est prévue l'ouverture d'entrée (2), l'inclinaison des côtés latéraux obliques (16) de ces supports (5) étant telle à permettre une réflexion des molécules frappant ces côtés vers la base (17) des supports (5) de l'étage précédent.
12. Pompe suivant la revendication 11 , caractérisée en ce que les côtés obliques (16) des supports (5) sont au moins partiellement concaves.
13. Pompe suivant l'une quelconque des revendications 5 à 12, caractérisée en ce que les côtés (16) des supports (5) d'un étage déterminé orientés vers les supports (5) d'un étage précédent sont partiellement couverts par des éléments (19) pouvant être soumis à une vibration présentant une composante orientée vers les éléments (4) prévus sur le côté (17) des supports de l'étage précédent orienté vers l'ouverture de sortie (3), de manière à permettre un gain d'énergie cinétique des molécules par une série de collisions multiples avec les surfaces vibrantes (7) des éléments (4) et (19) se faisant face avant de passer à l'étage suivant.
14. Pompe suivant l'une quelconque des revendications 8 à 13, caractérisée en ce que la matière piézo-électrique (6) est constituée de quartz, sel de Rochette (NaKC4H4O6NH2O, sulfate de lithium (Li2SO4H2O), métaniobate de plomb (PbNb2O6), titanate de plomb (PT), titanate zirconate de plomb (PZT), fluorure de polyvinylidène (PVDF), copolymère de fluorure de polyvinylidène et de trifluoro-éthylène (P(VDF- TrFE)), copolymère de fluorure de polyvinylidène et de tétrafluoro- éthylène (P(VDF-TeFE)) ou copolymère de cyanure de vinylidène et d'acétate de vinyle (P(VDCN-VAC)).
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