FR2723987A1

FR2723987A1 - Cryo-mechanical multistage axial-flow vacuum pump for light gas

Info

Publication number: FR2723987A1
Application number: FR9410218A
Authority: FR
Inventors: Gerard Claudet; Francis Disdier; Jean Paul Perin
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1994-08-23
Filing date: 1994-08-23
Publication date: 1996-03-01

Abstract

The turbo molecular pump has its rotor (1) supported by a pair of magnetic bearings (2) at its ends. Moving blades (3) are distributed in several circular stages alternating with the fixed blades (4) of the stator (9). The structure is surrounded by a thermal insulation enclosure (23) in which a refrigerator (25) is provided for extension of heat from the stator via thermal linkages (26, 27) to a heat exchanger (28). The refrigerator may operate in a Gifford-McMahon or Stirling cycle with a cold source at 15 to 20 K.

Description

POMPE A VIDE CRYOMECANIQUE
DESCRIPTION
L'invention concerne une pompe à vide cryomécanique pour gros débits de gaz.CRYOMECHANICAL VACUUM PUMP
DESCRIPTION
The invention relates to a cryomechanical vacuum pump for large gas flows.

Une telle situation, où une grande quantité de gaz doit sans cesse être extraite à basse pression, est rencontrée dans les réacteurs de fusion nucléaire où les réactions productrices d'énergie libèrent un débit d'environ 0,1 ou 0,2 g à la seconde d'hydrogène, de deutérium, de tritium et d'hélium en particulier en proportion variable, ce qui correspond à près d'un million de litres à la seconde aux températures ordinaires et à basse pression (de l'ordre de 10-3 millibar) pour ces gaz légers. Les pompes à vide mécaniques classiques ne sont guère envisageables dans ces conditions, à moins peut-être de disposer une série de pompes de grande taille en se résignant à un coût considérable. Such a situation, where a large quantity of gas must constantly be extracted at low pressure, is encountered in nuclear fusion reactors where the energy-producing reactions release a flow rate of approximately 0.1 or 0.2 g at the second of hydrogen, deuterium, tritium and helium in particular in variable proportion, which corresponds to nearly a million liters per second at ordinary temperatures and at low pressure (of the order of 10-3 millibar) for these light gases. Conventional mechanical vacuum pumps are hardly possible under these conditions, unless perhaps have a series of large pumps by resigning themselves at considerable cost.

Une autre possibilité bien connue est de recourir à des pompes statiques où les gaz préalablement condensés sont adsorbés sur une surface spéciale, mais ces pompes n'ont pas une capacité suffisante pour les débits envisagés ici et seraient saturées après quelques minutes. Another well-known possibility is to use static pumps where the previously condensed gases are adsorbed on a special surface, but these pumps do not have sufficient capacity for the flow rates envisaged here and would be saturated after a few minutes.

De plus, elles ne permettent pas d'accumuler d'importantes quantités d'isotopes radioactif tels que le tritium.In addition, they do not allow the accumulation of large quantities of radioactive isotopes such as tritium.

L'idée à la source de l'invention est d'adapter les pompes mécaniques classiques en les faisant opérer à une très basse température pour concentrer les gaz, accroître leur densité et leur permettre ainsi d'être pompés à beaucoup plus gros débit, ce qui permet de n'utiliser que de petites pompes. On verra que certaines modifications de la construction des pompes doivent alors être entreprises, mais qu'elles sont possibles sans difficultés excessives. The idea at the source of the invention is to adapt conventional mechanical pumps by making them operate at a very low temperature to concentrate the gases, increase their density and thus allow them to be pumped at a much higher flow rate, this which allows you to use only small pumps. It will be seen that certain modifications to the construction of the pumps must then be undertaken, but that they are possible without undue difficulty.

L'invention consiste donc sous sa définition la plus générale en une pompe à vide pour gaz comprenant un stator entourant un rotor, et qui est entourée par une enceinte isolante thermique englobant aussi un réfrigérateur relié au stator de la pompe pour en extraire de la chaleur. The invention therefore consists in its most general definition of a vacuum pump for gas comprising a stator surrounding a rotor, and which is surrounded by a thermal insulating enclosure also including a refrigerator connected to the stator of the pump to extract heat therefrom. .

Les gaz chauds parvenant à la pompe sont refroidis immédiatement par un échange de chaleur vers le stator, qui fait donc office de source froide. Ce procédé est plus efficace si la machine est complétée par un échangeur de chaleur également relié au réfrigérateur, et situé en amont du rotor et du stator, que le gaz traverse avant d'entrer dans la pompe. Un tel échangeur peut être un panneau formé de lamelles inclinées, de conception particulièrement simple. The hot gases reaching the pump are immediately cooled by a heat exchange to the stator, which therefore acts as a cold source. This process is more effective if the machine is completed by a heat exchanger also connected to the refrigerator, and located upstream of the rotor and the stator, which the gas crosses before entering the pump. Such an exchanger can be a panel formed by inclined strips, of particularly simple design.

La pompe peut être une pompe turbomoléculaire ou à entraînement visqueux selon les applications, ou encore elle peut être composite et comprendre une pompe turbomoléculaire en amont et une pompe à entraînement visqueux en aval. The pump can be a turbomolecular or viscous drive pump depending on the applications, or it can be composite and include a turbomolecular pump upstream and a viscous drive pump downstream.

On va maintenant décrire l'invention plus en détail à l'aide des figures 1 à 3, qui décrivent trois réalisation de l'invention avec respectivement une pompe turbomoléculaire, une pompe à vis et une pompe composite. The invention will now be described in more detail with the aid of FIGS. 1 to 3, which describe three embodiments of the invention with respectively a turbomolecular pump, a screw pump and a composite pump.

La pompe de la figure 1 est une pompe turbomoléculaire adaptée au pompage de gaz légers à des pressions inférieures à environ 10-3 mbar, c'est-à-dire dans les régimes d'écoulements moléculaires ou intermédiaires. The pump of Figure 1 is a turbomolecular pump suitable for pumping light gases at pressures below about 10-3 mbar, that is to say in the molecular or intermediate flow regimes.

Un rotor 1 est soutenu par une paire de paliers magnétiques 2 à ses extrémités et porte un ensemble d'aubes mobiles 3 répartis en plusieurs étages circulaires qui alternent avec des étages d'aubes fixes 4 reliés à un stator 9. Les aubes 3 et 4 ont des formes qui leur permettent de repousser par chocs successifs les molécules de gaz vers la droite de la figure jusqu'à traverser la pompe. On ne donnera pas de détails particuliers puisque des pompes turbomoléculaires sont déjà connues.Le stator 9 consiste en une paroi cylindrique qui entoure le rotor 1 et délimite la veine d'écoulement des gaz avec lui, déborde longitudinalement des extrémités du rotor 1 et porte les paliers magnétiques 2 ainsi qu'un moteur 5 d'entraînement du rotor 1 à 25000 tr/mm par exemple ; un arbre 6 relie le rotor 1 au moteur 5 et se prolonge des deux côtés, respectivement vers une butée 7 et un capteur de position axiale 8. A rotor 1 is supported by a pair of magnetic bearings 2 at its ends and carries a set of movable blades 3 distributed in several circular stages which alternate with stages of fixed blades 4 connected to a stator 9. The blades 3 and 4 have shapes that allow them to push the gas molecules to the right of the figure by successive shocks until they pass through the pump. No particular details will be given since turbomolecular pumps are already known. The stator 9 consists of a cylindrical wall which surrounds the rotor 1 and delimits the gas flow stream with it, extends longitudinally beyond the ends of the rotor 1 and carries the magnetic bearings 2 as well as a motor 5 for driving the rotor 1 at 25,000 rpm for example; a shaft 6 connects the rotor 1 to the motor 5 and extends on both sides, respectively towards a stop 7 and an axial position sensor 8.

La butée 7, située comme le moteur 5 en aval de la machine, est composée d'un disque ferromagnétique 30 au bout de l'arbre 6 et d'un solénoïde 10 lui faisant face, relié par des nervures 11 au stator 9 et alimenté par un dispositif de régulation 12 sensible au capteur de position axiale 8. The stop 7, located like the motor 5 downstream of the machine, is composed of a ferromagnetic disc 30 at the end of the shaft 6 and a solenoid 10 facing it, connected by ribs 11 to the stator 9 and supplied by a regulating device 12 sensitive to the axial position sensor 8.

L'arbre 6 porte un aimant permanent 13 à son extrémité amont, qui pénètre partiellement entre des détecteurs à induction 31 qui composent le capteur de position axiale 8 avec cet aimant permanent 13. Comme il est bien connu, le signal délivré par les détecteurs à induction 31 devient plus important quand l'aimant permanent 13 pénètre plus entre eux en conséquence d'un déplacement axial du rotor 1 et de l'arbre 6, ce qui incite le régulateur 12 à modifier le courant du solénoïde 10 pour déplacer le disque ferromagnétique 30 et rétablir la position voulue. The shaft 6 carries a permanent magnet 13 at its upstream end, which partially penetrates between induction detectors 31 which make up the axial position sensor 8 with this permanent magnet 13. As is well known, the signal delivered by the detectors to induction 31 becomes more important when the permanent magnet 13 penetrates more between them as a result of an axial displacement of the rotor 1 and the shaft 6, which incites the regulator 12 to modify the current of the solenoid 10 to move the ferromagnetic disc 30 and restore the desired position.

Les paliers magnétiques 2 comprennent des solénoïdes 14 reliés au stator 9 par des nervures 15 et disposées en cercle autour d'aimants permanents de paliers 16 des deux côtés du stator 1. Les solénoïdes 14 exercent des actions concourantes sur les aimants de paliers 16 et maintiennent le centrage de l'arbre 6. On a représenté des paliers actifs où les courants des solénoïdes sont commandés individuellement par un générateur de courant 17 avec l'espoir de supprimer plus complètement les perturbations de centrage de l'arbre 6 produites par un balourd, mais on pourra aussi employer des paliers magnétiques passifs où les solénoïdes 14 seront remplacés par des aimants permanents, semblables en polarité aux aimants de paliers 16, pour obtenir le même effet de centrage par des forces concourantes de répulsion. The magnetic bearings 2 comprise solenoids 14 connected to the stator 9 by ribs 15 and arranged in a circle around permanent bearing magnets 16 on both sides of the stator 1. The solenoids 14 exert concurrent actions on the bearing magnets 16 and maintain centering of the shaft 6. Active bearings are shown where the currents of the solenoids are individually controlled by a current generator 17 with the hope of more completely eliminating the centering disturbances of the shaft 6 produced by an unbalance, but it is also possible to use passive magnetic bearings where the solenoids 14 will be replaced by permanent magnets, similar in polarity to the bearing magnets 16, to obtain the same centering effect by concurrent forces of repulsion.

Quant au moteur 5, il peut s'agir d'une turbine à gaz ou, comme on le représente ici, d'un moteur électrique composé d'un noyau 18 fixé à la tige 6 et mû par une armature 19 électromagnétique reliés par d'autres nervures 20 au stator 9. As for the motor 5, it may be a gas turbine or, as shown here, an electric motor composed of a core 18 fixed to the rod 6 and driven by an electromagnetic armature 19 connected by d other ribs 20 to the stator 9.

Le stator 9 est muni à ses deux extrémités de brides de raccordement 21 et 22 pour y aboucher des canalisations d'arrivée et de sortie des gaz. Il constitue une partie d'une enceinte à vide dont il forme la paroi interne et que complète une paroi externe 24 qui se raccorde à lui. Le volume vide 23 annulaire délimité par le stator 9 et la paroi externe 24 est partiellement occupé par un réfrigérateur 25 relié par des liaisons thermiques 26 et 27 à un échangeur de chaleur 28 et à un point du stator 9 situé devant une zone plutôt vers l'amont du rotor 1. Le réfrigérateur 25 peut fonctionner selon un cycle de Gifford et Mac Mahon, ou de Stirling, avec une température de source froide de 15K à 20K. Dans cette réalisation où l'échangeur de chaleur 28 précède la pompe proprement dite dans l'écoulement des gaz, le refroidissement de ceux-ci est produit en amont de la machine avant qu'ils n'atteignent le rotor 1, ce qui permet de pomper du gaz tout de suite densifié. Le refroidissement du stator 9 à l'endroit des aubes 4 vers l'amont renforce le refroidissement et contribue à maintenir le gaz à basse température à travers tout le rotor 1. D'autres liaisons thermiques pourraient être ajoutées vers l'aval si on le désirait. The stator 9 is provided at its two ends with connection flanges 21 and 22 for connecting gas inlet and outlet pipes to it. It constitutes part of a vacuum enclosure of which it forms the internal wall and which completes an external wall 24 which is connected to it. The annular empty volume 23 delimited by the stator 9 and the external wall 24 is partially occupied by a refrigerator 25 connected by thermal connections 26 and 27 to a heat exchanger 28 and to a point of the stator 9 located in front of an area rather towards the upstream of the rotor 1. The refrigerator 25 can operate according to a Gifford and Mac Mahon, or Stirling, cycle with a cold source temperature of 15K to 20K. In this embodiment where the heat exchanger 28 precedes the actual pump in the flow of gases, the cooling of these is produced upstream of the machine before they reach the rotor 1, which makes it possible to pump gas immediately densified. The cooling of the stator 9 at the place of the blades 4 upstream reinforces the cooling and contributes to keeping the gas at low temperature throughout the rotor 1. Other thermal connections could be added downstream if it is wanted.

L'échangeur de chaleur 28 est un panneau ou un volet formé de lamelles parallèles 29 suffisamment inclinées et proches pour qu'il présente une surface aveugle, c'est-à-dire sans aucun jour, afin qu'aucune lumière ne puisse pénétrer dans la pompe à partir de l'amont, ce qui contrarierait le refroidissement du stator 9 et des gaz. Un autre avantage est que les impuretés condensables se déposent sur les lamelles 29 et ne parviennent donc pas à la pompe, qu'elles encrasseraient en se solidifiant. The heat exchanger 28 is a panel or a shutter formed by parallel strips 29 sufficiently inclined and close so that it has a blind surface, that is to say without any daylight, so that no light can penetrate into the pump from upstream, which would thwart the cooling of the stator 9 and the gases. Another advantage is that the condensable impurities are deposited on the lamellae 29 and therefore do not reach the pump, which they would foul when solidifying.

Voilà donc comment une pompe turbomécanique peut être modifiée pour être appliquée au contexte de l'invention. Le refroidissement doit être fait très vite, mais la faible masse pompée le permet. Les paliers magnétiques 2 remplacent les roulements ou d'autres paliers inutilisables aux basses températures. This is how a turbomechanical pump can be modified to be applied in the context of the invention. Cooling must be done very quickly, but the low mass pumped allows this. Magnetic bearings 2 replace bearings or other bearings unusable at low temperatures.

La figure 2 représente une machine analogue à la précédente, mais le rotor 1 est dépourvu d'aubes mobiles 3 et le stator, désormais référencé par 34, comprend un filet qui délimite une rainure hélicoïdale 35 à profondeur décroissante vers l'aval. Il s'agit d'une variété à vis de ce qu'on appelle une pompe à entraînement visqueux, où la vitesse moyenne du gaz est intermédiaire entre la vitesse du rotor 1, qui entraîne les gaz dans la rainure hélicoïdale 35, et la vitesse tangentielle nulle du stator 34. Une telle pompe est utilisable pour des pressions de gaz plus importantes que précédemment, c'està-dire pour des écoulements laminaires et intermédiaires. FIG. 2 represents a machine similar to the previous one, but the rotor 1 is devoid of movable vanes 3 and the stator, now referenced by 34, comprises a thread which delimits a helical groove 35 of decreasing depth downstream. It is a screw variety of what is called a viscous drive pump, where the average speed of the gas is intermediate between the speed of the rotor 1, which drives the gases in the helical groove 35, and the speed tangential zero of the stator 34. Such a pump can be used for higher gas pressures than previously, that is to say for laminar and intermediate flows.

Le mode de réfrigération est semblable à celui de la réalisation précédente, à savoir formé des mêmes éléments et prépondérant en amont. Cette dernière caractéristique est importante ici pour assurer un bon fonctionnement, car il est préférable que le gaz soit nettement plus chaud en aval de la machine.The refrigeration mode is similar to that of the previous embodiment, namely formed from the same elements and predominantly upstream. This last characteristic is important here to ensure proper operation, since it is preferable that the gas is significantly hotter downstream of the machine.

En effet, on a vu que le débit de pompage était plus important si le gaz était dense, c'est-à-dire si la température était faible. Mais la diminution constante de section de la rainure hélicoïdale 35 produit une augmentation de pression en aval et un débit de retour de gaz vers l'amont, qui réduit l'efficacité du pompage et dépend essentiellement de la viscosité du gaz. Pour parler plus clairement, ce débit de retour est plus élevé si la viscosité est faible. Le gradient de température a précisément pour effet de rendre le gaz plus chaud et visqueux en aval pour combattre cette tendance au retour et obtenir la plus grande efficacité de pompage. C'est pourquoi il est si avantageux ici. Indeed, we have seen that the pumping rate was higher if the gas was dense, that is to say if the temperature was low. However, the constant decrease in cross section of the helical groove 35 produces an increase in downstream pressure and a return gas flow upstream, which reduces the pumping efficiency and depends essentially on the viscosity of the gas. To put it more clearly, this return flow is higher if the viscosity is low. The temperature gradient precisely has the effect of making the gas warmer and viscous downstream to combat this tendency to return and obtain the greatest pumping efficiency. This is why it is so advantageous here.

Le gradient thermique est plus prononcé que dans la réalisation précédente en installant l'extrémité de la liaison thermique 27 plus en amont, c'est-à-dire tout à l'entrée de la zone de pompage, en face du début du rotor 1, alors que cette liaison aboutissait environ au tiers de la zone de pompage, à compter de l'amont, dans la réalisation précédente. The thermal gradient is more pronounced than in the previous embodiment by installing the end of the thermal link 27 further upstream, that is to say at the very entrance of the pumping zone, opposite the start of the rotor 1 , while this connection terminated approximately one third of the pumping area, from upstream, in the previous embodiment.

Les considérations précédentes sur l'emploi des pompes justifient des solutions composites telles que celle de la figure 3, où le gaz est pompé successivement par une pompe turbomoléculaire et par une pompe à vis. On peut adopter une disposition en série en plaçant les pompes précédentes l'une après l'autre derrière l'échangeur de chaleur, mais on a représenté à la figure 3 un mode de réalisation un peu plus compliqué de pompe coudée et double dont le rotor, ici 40, comprend une partie centrale 41 lisse, et, des deux côtés, successivement une section de pompe turbomoléculaire 42 pourvue d'aubes et une section de pompe à vis 43 lisse. Le stator 44 est conçu en conséquence, avec des rainures hélocoïdales 35 devant les sections de pompe à vis 43 et des aubes fixes entre les aubes du rotor 40.Il est ouvert devant la partie centrale 41 selon un conduit d'arrivée 45, et le gaz est pompé perpendiculairement au rotor 40 avant d'être dévié et d'être rejeté aux deux bouts de celui-ci. L'échangeur de chaleur 28 existe ici aussi : il est placé à travers le conduit d'arrivée, et on retrouve encore le réfrigérateur 25, qui est placé dans le volume vide 47 sensiblement annulaire délimité par le stator 44 et une paroi extérieure 46 qui l'entoure en se joignant à lui à ses extrémités. Des liaisons thermiques 50 joignent le réfrigérateur 25 au stator 44, devant la partie centrale 41 et les sections de pompe turbomoléculaire 42 et à l'échangeur de chaleur 28.Dans cette conception, on peut mouvoir le rotor 40 par un moteur 51 ordinaire, et remplacer les paliers magnétiques par des roulements à billes 52 qui soutiennent les extrémités du rotor 40 sur celles du stator 44, loin du réfrigérateur 25. Le gaz est éjecté par des conduits de sortie 53 ouverts à travers le stator 44 près des paliers 52 et du moteur 51 et les flux gazeux peuvent être réunis sans difficulté pour un traitement ultérieur. The preceding considerations on the use of pumps justify composite solutions such as that of FIG. 3, where the gas is pumped successively by a turbomolecular pump and by a screw pump. We can adopt a series arrangement by placing the preceding pumps one after the other behind the heat exchanger, but there is shown in Figure 3 a slightly more complicated embodiment of a bent and double pump whose rotor , here 40, includes a smooth central part 41, and, on both sides, successively a turbomolecular pump section 42 provided with blades and a smooth screw pump section 43. The stator 44 is designed accordingly, with helical grooves 35 in front of the screw pump sections 43 and fixed blades between the blades of the rotor 40. It is open in front of the central part 41 along an inlet duct 45, and the gas is pumped perpendicularly to the rotor 40 before being deflected and being rejected at both ends of the latter. The heat exchanger 28 also exists here: it is placed through the inlet duct, and there is also the refrigerator 25, which is placed in the substantially annular empty volume 47 delimited by the stator 44 and an outer wall 46 which surrounds it by joining it at its ends. Thermal connections 50 join the refrigerator 25 to the stator 44, in front of the central part 41 and the turbomolecular pump sections 42 and to the heat exchanger 28. In this design, the rotor 40 can be moved by an ordinary motor 51, and replace the magnetic bearings by ball bearings 52 which support the ends of the rotor 40 on those of the stator 44, far from the refrigerator 25. The gas is ejected by outlet conduits 53 open through the stator 44 near the bearings 52 and the motor 51 and the gas streams can be combined without difficulty for further treatment.

Les paliers et moteurs peuvent d'une façon générale être "froids", c'est-à-dire prévus pour travailler à basse température, ou "chauds", utilisables à des températures plus élevées, mais il faut alors en général les isoler des parties froides de la machine par des supports isolants thermiquement ou sans contact matériel, magnétiques en particulier. Bearings and motors can generally be "cold", that is to say intended to work at low temperature, or "hot", usable at higher temperatures, but they must then generally be isolated from cold parts of the machine by thermally insulating supports or without material contact, magnetic in particular.

Dans la réalisation de la figure 1 où une plus grande uniformité de température existe, on sera plus facilement contraint ou enclin à choisir un moteur froid que dans la réalisation de la figure 2, dont le gradient de température est un trait caractéristique, comme de la réalisation de la figure 3, mais tout dépendra des conditions concrètes d'exploitation. De même pour les paliers. Les paliers adjacents au moteur seront normalement de la même catégorie chaude ou "froide" que celui-ci, et les paliers proches de la source froide, c'est-à-dire des endroits de refroidissements, seront en principe froids. In the embodiment of FIG. 1 where a greater uniformity of temperature exists, it will be more easily forced or inclined to choose a cold engine than in the embodiment of FIG. 2, the temperature gradient of which is a characteristic feature, as in the realization of Figure 3, but everything will depend on the concrete operating conditions. The same goes for the bearings. The bearings adjacent to the engine will normally be of the same hot or "cold" category as the latter, and the bearings close to the cold source, that is to say cooling places, will in principle be cold.

Claims

1. Vacuum pump for gas, comprising a stator (9, 34, 44) surrounding a rotor (1, 40), characterized in that it is surrounded by a thermally insulating enclosure (23, 47) also including a refrigerator ( 25) connected to the pump stator to extract heat from it.

2. Vacuum pump according to claim 1, characterized in that it comprises a heat exchanger (28) connected to the refrigerator (25), located upstream of the stator and the rotor, which the gas passes through.

3. Vacuum pump according to claim 2, characterized in that the heat exchanger is a blind panel formed by slats (29) inclined.

4. Vacuum pump according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the refrigerator is connected to the stator so that the stator is more strongly cooled upstream than downstream.

5. Vacuum pump according to claim 4, characterized in that the pump comprises a viscous drive pump section defined by a helical groove (35) tapering in section downstream.

6. Vacuum pump according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the pump comprises a turbomolecular pump section.

7. Vacuum pump according to claims 5 and 6, characterized in that the viscous drive pump section is located downstream of the turbomolecular pump section.

8. Vacuum pump according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the rotor is supported at least upstream by magnetic bearings (2).