Pompe à vide de type sèche comportant un dispositif d'étanchéité aux fluides lubrifiants et élément centrifugeur équipant un tel dispositif

La présente invention concerne une pompe à vide de type sèche telle qu'une pompe à vide à lobes rotatifs, notamment de type multi-étagée, telle que de type « Roots » ou « Claw » ou telle qu'une pompe à vide à spirale (« Scroll ») ou encore telle qu'une pompe à vide à vis.

Généralement, ces pompes comportent un ou plusieurs étages placés en série dans lequel circule un gaz à pomper entre une entrée d'admission des gaz et une sortie de refoulement des gaz.

On distingue parmi les pompes à vide connues, celles à lobes rotatifs également connues sous le nom « Roots » avec deux ou trois lobes (bi-lobes, tri-lobes) ou celles à double bec, également connues sous le nom « Claw ».

Ces pompes sont décrites par exemple dans les documents US 6,572,351, US 5,234,323, EP 0 365 695, US 4,789,314 et EP 1 227 246.

De façon générale, les pompes à lobes rotatifs « Roots » comprennent deux rotors de profils identiques, tournant à l'intérieur d'un stator (corps de pompe) en sens opposé. Lors de la rotation, le gaz aspiré est emprisonné dans l'espace libre compris entre les rotors et le stator, puis il est refoulé par l'échappement. Le fonctionnement s'effectue sans aucun contact mécanique entre les rotors et le corps de la pompe, ce qui permet l'absence totale d'huile dans la chambre de compression.

Les pompes double bec « Claw » comprennent également deux rotors à lobes, tournant en sens contraire dans un cylindre, en aspirant le gaz et le comprimant. Toutefois, la forme des lobes est particulière pour assurer une compression sèche.

Les rotors sont portés par des arbres rotatifs supportés par au moins un palier lubrifié, par exemple à l'huile ou par de la graisse.

En fonctionnement, la rotation des arbres dans les paliers génère des polluants tels que des particules de graisse ou des gouttes d'huile qui, lorsqu'elles sont soumises à des variations de pression, peuvent migrer vers les étages de pompage.

Or, il est indispensable qu'aucune trace d'huile ou de graisse ne se retrouve dans les étages de pompage pour les applications dites « sèches », tels que les procédés de fabrication de substrats semi-conducteurs. II convient donc d'isoler les paliers lubrifiés des étages de pompage secs par un dispositif d'étanchéité au travers duquel l'arbre est toujours susceptible de tourner.

Pour pallier à cela, on connaît déjà des joints frottants annulaires dits "à lèvres".

Cependant, le frottement des joints sur l'arbre en rotation entraîne leur usure et aboutit rapidement à une perte d'étanchéité nécessitant des maintenances fréquentes de la pompe à vide, chaque intervention de maintenance nécessitant l'arrêt des installations de fabrication des semiconducteurs et de la pompe à vide, ce qui est très coûteux. Par ailleurs, la pression dans les étages de pompage varie fréquemment entre de hautes et de basses pressions provoquant d'importantes différences de pression entre les paliers et les étages de pompage.

Ces écarts de pressions répétitifs de part et d'autres des joints provoquent également leur usure prématurée. On connaît également d'autres techniques, utilisant des joints dynamiques sans contacts, permettant un équilibrage des pressions de part et d'autre d'une zone d'étanchéité entre le palier et l'étage de pompage sec.

Ces joints dynamiques sans contact utilisent les turbulences du gaz comme moyen d'étanchéité. Toutefois, ces dispositifs ne permettent pas d'empêcher la migration des brouillards et vapeurs d'huile ou de graisse vers les zones de pompage.

Le but de la présente invention est donc de proposer une pompe à vide sèche dont le dispositif d'étanchéité nécessite peu ou aucune opération de maintenance sur la pompe, tout en assurant que les étages de pompage soient exempts d'huile ou de graisse, et plus particulièrement, exempts de brouillards ou de vapeurs de ces lubrifiants.

A cet effet, l'invention a pour objet une pompe à vide de type sèche comportant au moins un arbre rotatif supporté par au moins un palier lubrifié et au moins un dispositif d'étanchéité aux fluides lubrifiants susceptibles de provenir dudit palier pour l'étanchéité au niveau du passage d'arbre, le dispositif d'étanchéité étant monté entre le palier lubrifié et un étage de pompage sec, caractérisée en ce que ledit dispositif d'étanchéité comporte un élément centrifugeur monté solidairement en rotation sur ledit arbre et comportant au moins une conduite traversante apte à séparer les fluides lubrifiants du fluide susceptible de circuler depuis ledit palier vers l'étage de pompage sec.

De préférence, l'élément centrifugeur comporte en outre un corps filtrant placé dans la conduite traversante, comme par exemple, un matériau fibreux. De préférence, la conduite traversante est située plus près de l'arbre que de la surface circonférentielle de l'élément centrifugeur.

On prévoit que le diamètre de l'orifice de la conduite traversante est plus important du côté du palier que du côté de l'étage de pompage sec.

Par exemple, on prévoit que la conduite traversante présente une forme en tronc de cône dont le sommet est situé du coté de l'étage de pompage sec. Alternativement, on prévoit qu'une partie de la conduite traversante présente un rétrécissement ou encore, que la conduite traversante est formée par un évidement de l'élément centrifugeur en forme de tronc de cône dont l'axe de révolution est confondu avec l'axe de rotation de l'élément centrifugeur et dont le sommet communique avec un nombre prédéfini d'orifices du côté de l'étage de pompage. On prévoit également que la conductance de la conduite traversante est supérieure à la conductance d'un passage périphérique du fluide formé entre la surface circonférentielle de l'élément centrifugeur et la paroi interne du stator.

De préférence, le dispositif d'étanchéité comporte un clapet anti-retour placé en vis-à-vis de l'orifice de la conduite traversante situé du côté de l'étage de pompage. Le clapet anti-retour est de préférence formé par un disque monté en coulissement sur l'arbre rotatif.

Par exemple, on prévoit que le passage périphérique comporte un joint labyrinthe.

Le joint labyrinthe peut comporter plusieurs bagues montées dans le stator et la surface circonférentielle de l'élément centrifugeur posséder plusieurs gorges correspondantes. Avantageusement, chaque bague est ouverte et élastique pour pouvoir être montée dans le stator.

De préférence, le diamètre externe de chaque bague au repos est supérieur au diamètre de la paroi interne du stator de sorte qu'après insertion des bagues dans le stator, celles-ci sont plaquées contre la paroi interne du stator par la force élastique de la bague. On peut prévoir aussi que le dispositif d'étanchéité comporte en outre un déflecteur monté sur l'arbre entre le palier et l'élément centrifugeur.

L'invention a aussi pour objet un élément centrifugeur de dispositif d'étanchéité aux fluides lubrifiés destiné à être monté solidairement en rotation sur un arbre rotatif de pompe à vide de type sèche, entre un palier lubrifié et un étage de pompage sec, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une conduite traversante à travers laquelle un fluide est apte à circuler depuis le palier vers l'étage de pompage sec pour séparer les fluides lubrifiants du fluide.

D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront à la lecture de la description de l'invention, ainsi que des dessins annexés sur lesquels :

la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une partie de la pompe à vide selon l'invention, la figure 2 est une vue de face schématique d'un exemple de réalisation de l'élément centrifugeur selon l'invention, - la figure 3 est une vue en coupe longitudinale d'une partie de la pompe à vide de la figure 1, les figures 4, 5 et 6 sont des vues en coupe longitudinale de variantes de réalisation de la pompe à vide de la figure 1.

Sur ces figures, les éléments identiques portent les mêmes numéros de référence.

L'invention s'applique à une pompe à vide de type sèche comportant au moins un arbre rotatif supporté par au moins un palier lubrifié et au moins un dispositif d'étanchéité aux fluides lubrifiants susceptibles de provenir du palier pour l'étanchéité au niveau du passage d'arbre, le dispositif d'étanchéité étant monté entre le palier lubrifié et un étage de pompage sec.

On prévoit avantageusement de disposer un dispositif d'étanchéité pour chaque étage de pompage adjacent à un palier de la pompe à vide.

Sur une pompe à vide telle une pompe à vide comportant deux arbres à lobes rotatifs, notamment de type multi-étagée, telle que de type « Roots » ou « Claw » ou d'un principe similaire, on dispose donc quatre dispositifs d'étanchéité aux quatre paliers de la pompe.

Bien entendu, l'invention s'applique également à tout type de pompe à vide sèche, telle que les pompes à vide à spirale ou les pompes à vide à vis.

La figure 1 représente une partie de la pompe à vide 1 selon un premier mode de réalisation de l'invention.

L'intérieur du stator 3 de la pompe à vide 1 comporte un palier 5, un étage de pompage 7 et un dispositif d'étanchéité 9 aux fluides lubrifiés pour le passage d'un arbre rotatif 11 , monté entre le palier 5 et l'étage de pompage 7.

Le palier 5 comporte un roulement 13 lubrifié par un fluide, tel que de la graisse ou de l'huile. Pour cela, le palier 5 est avantageusement en communication avec un carter d'huile (non représenté) distribuant également l'huile aux engrenages des arbres.

Plus loin en aval dans la pompe 1, l'arbre 11 apte à tourner autour de l'axe de rotation 14, s'étend dans l'étage de pompage 7 où il porte un rotor 15 tel qu'à lobes rotatifs.

L'étage de pompage 7 est dit « sec » car en fonctionnement, les rotors 15 tournent à l'intérieur du stator 3 en sens opposé sans aucun contact mécanique entre les rotors 15 et le corps 3 de la pompe 1, ce qui permet l'absence totale d'huile.

Le dispositif d'étanchéité 9 permet de limiter fortement le passage des fluides lubrifiants tels que la graisse ou l'huile depuis le palier 5 vers les étages de pompage secs 7 tout en permettant à l'arbre 11 de tourner lorsque la pompe à vide 1 est en fonctionnement.

Selon l'invention, le dispositif d'étanchéité 9 comporte un élément centrifugeur 17 monté solidairement en rotation sur l'arbre 11 et comportant au moins une conduite traversante 19 apte à séparer les fluides lubrifiants du fluide susceptible de circuler depuis le palier 5 vers l'étage de pompage sec 7.

Le fluide susceptible de circuler depuis le palier vers l'étage de pompage sec comprend un mélange de fluide lubrifiant et de gaz. Ainsi, en fonctionnement de la pompe à vide 1 , l'élément centrifugeur 17 va tourner à la même vitesse de rotation que l'arbre 11, par exemple à 6000 tours/minute pour une pompe à vide primaire de type Roots.

Par conséquent, la conduite traversante 19 portée par l'élément centrifugeur 17 va également tourner autour de l'axe de rotation 14 de l'arbre 11 de la pompe 1 et à la même vitesse de rotation. Le fluide lubrifiant sous forme de brouillard, liquide ou particules résiduelles ayant une masse ou une densité supérieure au gaz, circulant dans la conduite traversante 19, va être éloigné du centre 14 de l'élément centrifugeur 17.

En effet, la force centrifuge créée par la rotation rapide de l'élément centrifugeur 17 projette les fluides lubrifiants sur les faces latérales internes 21 de la conduite 19, séparant ainsi le fluide lubrifiant du fluide par centrifugation.

Plus particulièrement, le dispositif d'étanchéité sépare le brouillard et/ou la vapeur du lubrifiant, du fluide.

Avantageusement, le diamètre de l'orifice 39 de la conduite traversante 19 est plus important du côté du palier 5 que du côté de l'étage de pompage sec 7. Par exemple, sur la figure 1, une partie de la conduite traversante 19 présente un rétrécissement 53 formé par un évidement de l'élément centrifugeur 17 en forme de tronc de cône dont l'axe de révolution est confondu avec l'axe de rotation 14 de l'élément centrifugeur 17 et dont le sommet communique avec un nombre prédéfini d'orifices 39 du côté de l'étage de pompage 7.

La forme en tronc de cône va notamment permettre, par l'effet de la force centrifuge, de guider les vapeurs et brouillards de lubrifiants piégés le long des parois afin de les évacuer de la conduite 19.

Le fluide lubrifié est alors ainsi dirigé vers la base de l'élément centrifugeur 17 permettant au dispositif d'étanchéité d'être auto-nettoyant.

D'autres modes de réalisation de la conduite traversante 19 seront décrits plus loin.

En outre, on prévoit plusieurs conduites traversantes 19, de manière à optimiser le débit du gaz.

Ainsi, la figure 2 représente un élément centrifugeur 17 possédant huit orifices 39 de conduites traversantes 19 ainsi qu'une ouverture 25 au centre de l'élément centrifugeur 17 pour le passage de l'arbre 11.

Pour améliorer encore l'étanchéité du dispositif 9 aux fluides lubrifiants, on prévoit également que l'élément centrifugeur 17 comporte avantageusement un corps filtrant placé dans la conduite traversante 19, tel qu'un matériau fibreux (non représenté).

Le matériau fibreux peut être par exemple, à base de laine d'acier ou de laine de verre. Ainsi, lorsqu'un fluide circule dans la conduite 19, les résidus de lubrifiants sont piégés dans les fibres du corps filtrant.

Puis, par l'effet de la force centrifuge, les vapeurs et/ou brouillards d'huile piégés dans le corps filtrant vont également être projetés vers les parois de l'élément centrifugeur 17, puis guidés vers la base de celui-ci. Ainsi, et de même que la conduite traversante 19, le corps filtrant s'auto-nettoie.

En outre, on prévoit avantageusement que le dispositif d'étanchéité 9 comporte un déflecteur 27 monté sur l'arbre 11 entre le palier 5 et l'élément centrifugeur 17.

Le déflecteur 27 permet de modifier l'écoulement du fluide provenant du palier 5 pour former un premier moyen de séparation grossière des lubrifiants sous forme de liquides, graisses et particules provenant du palier 5.

On prévoit une rainure 29 correspondante dans le stator 3 située face à l'extrémité périphérique 31 du déflecteur 27.

Ainsi, lorsque le fluide circule depuis le palier 5 vers l'étage de pompage 7, les grosses particules et les liquides sont déviés par le déflecteur 27 dans la rainure 29, formant le premier filtrage grossier du fluide.

De préférence, un canal (non représenté) part de la rainure 29 et s'étend dans le stator 3 de la pompe 1.

Ce canal peut communiquer avec le carter d'huile des paliers lubrifiés. Le lubrifiant circulant dans la rainure 29 est alors entrainé dans le canal, puis vers le carter d'huile. Avantageusement, la conduite traversante 19 est située plus près de l'arbre 11 que de la surface circonférentielle 33 de l'élément centrifugeur 17, tel qu'illustré par la figure 2.

Cette disposition au plus près de l'axe de rotation 14 de l'arbre 11, permet au dispositif 9 de bénéficier au mieux de l'effet centrifuge ainsi que d'un effet de laminage complémentaire.

L'effet de laminage complémentaire est produit par une surpression localisée entre le déflecteur 27 et l'élément centrifugeur 17. Il est du au faible espace entre le déflecteur 27 et l'élément centrifugeur 17.

L'effet de laminage permet également de rejeter les lubrifiants en périphérie du déflecteur 27. Selon un aspect très avantageux de l'invention, la conductance de la conduite traversante 19 est supérieure à la conductance du passage périphérique du fluide formé entre la surface circonférentielle 33 de l'élément centrifugeur 17 et la paroi interne 35 du stator 3.

Avec cet agencement, l'écoulement du fluide est privilégié à travers la conduite traversante 19 de l'élément centrifugeur 17 plutôt qu'en périphérie de celui-ci, lorsque la pression du côté du palier 5 est plus élevée.

Ainsi, le fluide est bien filtré par l'élément centrifugeur 17 et le différentiel de pression de part et d'autre de celui-ci est limité, l'écoulement par le passage périphérique étant très réduit au vu de la conductance élevée.

Pour le cas inverse, c'est-à-dire lorsque la pression est plus élevée du côté de l'étage de pompage, on prévoit que le dispositif d'étanchéité 9 comporte un clapet 37 anti-retour en vis-à-vis de l'orifice 39 de la conduite traversante 19, situé du côté de l'étage de pompage 7.

La position du clapet 37 permet d'orienter le chemin privilégié du fluide en fonction du différentiel de pression.

Lorsqu'il est éloigné de l'orifice 39, le fluide s'écoule de façon privilégiée par la conduite traversante 19 étant donné qu'elle possède la conductance la plus grande.

Lorsqu'il est plaqué contre l'orifice 39, le fluide s'écoule de façon privilégiée par le passage périphérique de l'élément centrifugeur 17.

L'ouverture et la fermeture de la conduite 19 par le clapet 37 est naturellement commandé par la différence de pression de part et d'autre de celui-ci. Le clapet 37 est placé sur l'arbre 11 de manière à être en position éloignée de l'orifice 39 lorsque la pression du côté du palier 5 est supérieure à la pression de l'étage de pompage 7.

Par cet astucieux moyen, le dispositif d'étanchéité 9 est optimisé car les mouvements turbulents du gaz et des lubrifiants à l'intérieur de la conduite traversante 19 sont évités, l'écoulement à travers la conduite traversante 19 n'ayant lieu que dans un seul sens. Les pressions de part et d'autre du dispositif d'étanchéité 9 peuvent donc s'équilibrer de façon automatique par deux passages distincts selon que le fluide est chargé ou non de lubrifiants.

On peut prévoir de réaliser le clapet anti-retour 37 par un simple disque monté en coulissement axial sur l'arbre 11, par exemple un disque métallique, la course du clapet 37 étant défini par l'élément centrifugeur 17 et une butée 41 fixée à l'arbre 11.

Le rayon du clapet 37 est prévu suffisamment grand pour être apte à obstruer les orifices 39 des conduites traversantes 19 débouchant du côté de l'étage de pompage 7.

Le clapet 37 est ainsi poussé par l'écoulement fluidique vers l'étage de pompage 7 et retenu par la butée 41 (voir figure 1) lorsque la pression du palier 5 est supérieure à la pression de l'étage de pompage 7, libérant ainsi le passage à travers la conduite traversante 19 de l'élément centrifugeur 17.

Inversement, le clapet 37 est attiré vers l'élément centrifugeur 17 par l'écoulement fluidique lorsque la pression du palier 5 est inférieure à la pression de l'étage de pompage 7, obstruant le passage du fluide dans la conduite traversante 19. De cette manière, on obtient un équilibrage des pressions de part et d'autre du dispositif d'étanchéité 9 et de plus, la circulation du gaz propre dans le passage périphérique permet d'entraîner des résidus de lubrifiants qui auraient pu y avoir été piégés.

En effet, la faible conductance du passage périphérique des gaz accélère ceux-ci, entraînant les résidus vers la rainure 29 du stator 3. De préférence, le passage périphérique du fluide est formé par un joint labyrinthe 43.

Le joint labyrinthe 43 comporte une succession de chicanes limitant la conductance du passage entre le stator 3 et l'élément centrifuge 17.

Traditionnellement, les chicanes sont formées par des rainures et des gorges correspondantes portées respectivement par le stator et l'élément rotatif et centrées en vis-à-vis sans contact pour éviter le frottement important aux vitesses de rotation élevées de l'élément rotatif.

Dans la présente invention, le passage périphérique est ainsi réalisé entre la surface circonférentielle 33 de l'élément centrifugeur 17 et le stator 3 de la pompe 1, ce qui permet d'éviter les frottements à la vitesse de rotation élevée de l'élément centrifugeur 17.

Toutefois, les joints labyrinthes classiques présentent le désavantage d'être difficile à assembler.

En effet, pour l'assemblage de ces joints, il est nécessaire de prévoir un stator en deux parties que l'on assemble et centre autour du rotor portant les gorges correspondantes.

Pour palier à cela, l'invention prévoit avantageusement et indépendamment de la conduite 19, un joint labyrinthe 43 caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs bagues 45 montées dans le stator 3 et en ce que la surface circonférentielle 33 de l'élément centrifugeur 17 possède plusieurs gorges 47 correspondantes.

Les bagues 45 sont des éléments distincts du stator 3 et sont prévues ouvertes et élastiques afin de pouvoir être montées dans le stator 3.

Cet agencement facilite l'assemblage.

En effet, le diamètre externe de chaque bague 45 au repos est supérieur au diamètre de la paroi interne 35 du stator 3 de sorte qu'après insertion des bagues 45 dans le stator 3, celles-ci sont plaquées contre la paroi interne 35 du stator 3 par la force élastique de la bague 45.

A l'assemblage et dans un premier temps, les bagues 45 ouvertes sont glissées dans les gorges 47 de l'élément centrifugeur 17.

Dans un deuxième temps, un tube auxiliaire de montage est disposé autour de l'élément centrifugeur 17 portant les bagues 45, de sorte que les bagues 45 soient comprimées, les extrémités de chaque bague 45 se rejoignant.

Puis, le tube comportant les bagues 45 et l'élément centrifugeur 17, est glissé à l'intérieur du stator 3.

Enfin, le tube est retiré laissant les bagues 45 libérées se décomprimer dans le stator 3.

L'élasticité des bagues 45 est choisie de sorte que celles-ci restent maintenues fixées solidement au stator 3.

On obtient ainsi un joint labyrinthe 43 entre le stator 3 et l'élément centrifugeur 17 dont les gorges 47 et les rainures 45 sont faciles à fabriquer, centrer et à assembler.

Bien entendu, ce type de joint labyrinthe 43 s'applique aussi bien à l'élément centrifugeur 17 de la présente invention qu'à n'importe quel élément rotatif tournant dans un stator, tel qu'un rotor ou un arbre rotatif.

En fonctionnement de la pompe à vide telle que précédemment décrite, lorsque la pression du palier 5 est supérieure à la pression de l'étage de pompage 7, le fluide emprunte le trajet schématisé par la flèche 49 sur la figure 1.

Dans un premier temps, l'écoulement du fluide provenant du palier 5 est dévié par le déflecteur 27, séparant de manière grossière les particules et liquides lubrifiants.

Simultanément, le clapet 37 est poussé vers l'étage de pompage 7 libérant ainsi l'accès de la conduite traversante 19 de sorte qu'une majorité du fluide circule à travers l'élément centrifugeur 17.

Le gaz est ainsi séparé des fluides lubrifiants par centrifugation.

Ceux-ci sont ensuite expulsés de la conduite traversante 19 par l'effet de la force centrifuge.

Puis, si la pression du palier 5 devient inférieure à la pression de l'étage de pompage 7, le fluide emprunte le passage périphérique dont le trajet est schématisé par les flèches 51 de la figure 3.

Le clapet 37 est attiré vers l'élément centrifugeur 17, obstruant le passage du fluide dans la conduite traversante 19, de sorte qu'une majorité du fluide circule à travers le passage périphérique, entraînant les résidus de lubrifiants.

Comme évoqué plus haut, on peut envisager d'autres modes de réalisation de la conduite traversante 19.

Par exemple, le rétrécissement 53 de la conduite traversante 19 peut être formé par un étranglement de la conduite 19 (non représenté).

Les figures 4 et 5 illustrent d'autres modes de réalisation avantageux de l'invention dans lesquels le diamètre de l'orifice 39 de la conduite traversante 19 est plus important du côté du palier 5 que du côté de l'étage de pompage sec 7.

Sur la figure 4, la conduite traversante 19 présente une section se rétrécissant en formant une marche dont la portion de diamètre réduit débouche du côté de l'étage de pompage sec 7. Cette variante présente l'avantage d'être simple de réalisation.

En effet, une telle conduite 19 peut être obtenue par exemple par un perçage à l'aide d'un forêt étage.

Alternativement et illustré par la figure 5, la conduite traversante 19 présente une forme en tronc de cône dont le sommet est situé du coté de l'étage de pompage sec 7. Le rétrécissement 53, partiel ou continu de la conduite traversante 19 permet de freiner les résidus de lubrifiants projetés sur les faces latérales internes 21 de la conduite 19.

Ceux-ci vont alors longer la face interne 21 de la conduite 19 jusqu'à retourner vers le palier 5.

Lorsque ces résidus parviennent au niveau du déflecteur 27, ils sont entraînés dans la rainure 29 du stator 3 et guidés vers le canal communiquant avec le carter d'huile.

Selon une autre variante, la conduite traversante 19 présente la forme d'un tube (figure 6). On comprend ainsi qu'une pompe à vide 1 comportant au moins un dispositif d'étanchéité 9 aux fluides lubrifiants comportant un élément centrifugeur 17 monté solidairement en rotation sur l'arbre 11 et comportant au moins une conduite traversante 19, permet d'assurer une étanchéité aux lubrifiants sans pièces en frottement et donc sans usure, nécessitant peu de maintenance.