Brevet FR2310482A1 — publié le 19761203

La présente invention se rapporte aux pompes à vide à diffusion en particulier à celles de forte puissance présentant un encombrement limait8. Selon l'invention, la pompe à diffusion (à un ou plusieurs étages) est réalisée de façon à présenter1 en vue en plan, des dimensions différentes dans deux directions perpendiculaires. On peut réaliser la pompe de façon qu'une section verticale du corps, suivant une direction, ait des dimensions différentes de la section verticale du corps suivant une autre direction perpendiculaire à la première, la pompe étant alors dépourvue de symétrie de révolution autour d'un axe. Plus particulièrement, la pompe à diffusion à un ou plusieurs étages selon l'invention peut présenter des demi-sections transversales, suivant des plans parallèles et séparés, identiques ou sensiblement identiques entre elles et correspondant à la demi-coupe diamétrale d'une pompe classique présentant une symétrie de révolution autour d'un axe, la pompe s'étendant longitudinalement sans limitation particulière et, en tout cas, de façon indépendante des dimensions suivant les sections trans- versales constantes. La pompe peut présenter un plan de symétrie longitudinal, notamment vertical ; dans ce cas, chaque section transversale peut, au moins dans une partie importante du corps de la pompe, correspondre à la section diamétrale d'une pompe classique à symétrie de révolution autour dtun axe. À ses extrémités, la pompe peut être réalisée avec la section suivant le plan de symétrie longitudinal qui correspond à la demi-coupe transversale ; les différentes parties des extrémités peuvent avoir une forme circonférentielle ou carrée. A titre de variante, on peut prévoir qu'aux extrémités les composants internes se terminent contre une paroi transversale d'extrémité du boîtier sensiblement plane. Une pompe à diffusion selon l'invention peut aussi titre constituée par plusieurs pompes allongées du type défini cidessus, côte à côte, et comporter alors une structure extérieure unique. L'invention sera mieux comprise, grâce à la description détaillée qui va suivre et au dessin annexé représentant un exemple de réalisation non limitatif de l'invention. Sur le dessin annexé - les figures 1 et 2 représentent, en coupe diamétrale, deux pompes classiques à symétrie de révolution autour dtun axe, - les figures 3 et 4 représentent des schémas de montage de pompes classiques - les figures 5 à 7 représentent schématiquement en perspective, en plan et en coupe suivant la ligne VII-VII de la figure 6, une pompe réalisée selon l'invention - les figures 8, 9 et 10 représentent partiellement, en plan, trois solutions schématiques de réalisation des extrémités d'une pompe selon l'invention - la figure 11 représente partiellement, en plan, un schéma de pompe multiple selon l'invention. Les pompes à vide se répartissent en pompes mécaniques à vide primaire (d'une atmosphère à 10 3 torr) et en pompes à vide poussé (de 10 2 à 10 7 torr). Parmi les pompes à vide poussé, les plus utilisées sont de loin les pompes à diffusion d'huile ou de mercure qui fonctionnent selon le principe illustré sur la figure 1. La vapeur d'huile produite dans un bouilleur chauffé a passe par un tube b jusqu'au gicleur ou injecteur annulaire c d'ou la vapeur sort à une vitesse supersonique. La détente a lieu dans le volume d qui est en liaison, par la bride e avec le récipient dans lequel on doit faire le vide. Les vapeurs et les gaz qui doivent être évacués diffusent dans le jet de vapeur et sont contraints à passer dans le volume f où ils s'y condensent.On ne peut cependant obtenir en f une pression égale à la pression atmosphérique, de sorte que le volume f est maintenu à une basse pression au moyen d'une pompe primaire reliée au raccord h. On condense la vapeur d'huile en refroidissant la paroi extérieure de la pompe en faisant circuler un fluide tel que de l'eau B, dans certains cas de l'air. Une fois condensée, l'huile revient par gravité dans le bouilleur a. Les pompes à diffusion utilisent couramment, comme fluide, des huiles minérales et aussi, parfois, du mercure. Ces pompes ont été introduites en 1.913 par Gaede en Allemagne, presqu'en même temps que Languinir (1.916). Gaede a, le premier, compris, que des gaz à une basse pression relative peuvent être évacués au moyen d'un jet de vapeur (dans son cas Hg) dont la pression partielle est beaucoup plus élevée que la pression du gaz. Dans ce cas, les molécules de gaz passent d'une région à basse pression totale dans une région à haute pression totale grâce au jet de vapeur. Ce phénomène, à première vue incompréhensible, dépend de la diffusion des gaz, évacués d'une région à basse pression partielle, dans un jet de vapeur qui est initialement dépourvu de gaz et, donc, à une pression partielle encore plus basse. La diffusion des gaz dans le jet de vapeur est inversement proportionnelle à la pression du jet et n'est importante qu'à des pressions inférieures à 1 torr. Dans la gamme de pressions de 1 à 10 torr, la vitesse de diffusion représente le facteur critique pour déterminer le débit de la pompe. Dans le domaine du vide poussé (à partir de 10 3 torr), la conductibilité hydrau- lique des gicleurs et des conduits par lesquels le gaz pénètre dans le jet de vapeur joue un rôle décisif. Ainsi donc, selon les géométries utilisées, on peut réaliser des pompes pour vide moyen et poussé. Les premières sont également dénommées pompes de renfort ou "booster", tandis que les secondes sont appelées pompes à diffusion, ce qui permet de les différencier des premières. Les pompes à vide pour vide moyen sont en général à un seul étage ; les pompes pour vide poussé sont, par contre, à plusieurs étages, en général trois ou même quatre étages lorsque les débits sont élevés. On a montré sur la figure 2 le schéma d'une pompe à diffusion à trois étages. L'utilisation d'une pompe à plusieurs étages permet d'amé- liorer les performances de la pompe. L'étage le plus voisin de l'embouchure d'aspiration est réalisé de façon que le jet de vapeur autour du gicleur soit le plus efficace possible, pour obtenir la capacité de pompage la plus élevée. Le second étage a une capacité de pompage suffisante pour maintenir une pression appropriée sous le premier étage dans tout le domaine de fonctionnement de la pompe. Le jet de vapeur du second étage est plus dense, de façon à tolérer (à sa décharge) une pression plus élevée de celle que pourrait supporter le premier étage. Le troisième étage est dimensionné de façon à avoir un jet de vapeur concentré par un passage assez émit, de façon à augmenter la capacité de supporter une pression d'évacuation élevée, au détriment de son débit volumique. Le fonctionnement de la pompe provoque la compression du gaz quelques centaines de fois, avant de l'envoyer dans la canalisation qui est en liaison avec l'entrée de la pompe mécanique. Les pompes à diffusion connues jusqu'à ce jour sont réali sées sous forme cylindrique, avec de toutes façons un axe de symétrie par rapport auquel la pompe présente une forme de révolution. Cette solution a été utilisée jusqu'aux premiers exemplaires de pompes à diffusion (qui étaient en verre) et a subsisté, meme lorsqu'on est passé à l'utilisation du métal. La raison doit être recherchée dans le fait que les conduites de vide et les récipients sont très souvent de forme cylindrique, de sorte qu'il est apparu approprié d'utiliser des brides de raccordement de type circulaire. Lorsqu il a fallu réaliser des pompes à débits élevés (15.000 à 50.000 l/s), les dimensions des pompes ont atteint des valeurs élevées. On peut dire en effet que le débit de la pompe est en première approximation proportionnel à la surface de l'embouchure d'aspiration. En outre, le rapport du diamètre de l'embouchure d'aspiration à la hauteur de la pompe reste assez constant, lorsqu'on passe de pompes de faible débit à des pompes de grand débit. Par exemple, on a un rapport d'environ 1/3 pour une pompe à 100 1/s, et on aboutit à environ 1/2 pour une pompe à 16.000 1/s. Lorsqu'on utilise des pompes de débit élevé, leur hauteur oblige à certaines solutions de montage. On a reproduit, sur la figure, un schéma de montage. La référence A représente le récipient dans lequel on doit faire le vide et la référence B la pompe à diffusion. Si le récipient a des dimensions de quelques mètres, il faut placer la pompe audessous du niveau du sol, si l'on veut maintenir le récipient au niveau du sol ; en variante, on peut recourir à la solution de la figure 4. Dans ce cas, on évite d'avoir à creuser au-dessous du niveau du sol, mais l'on introduit un conduit C qui limite cependant la capacité effective de la pompe, tout en introduisant un volume mort important dans lequel il faut faire le vide, interposé entre le récipient AI dans lequel on doit faire le vide et la pompe à diffusion B1. Si l'on a une pompe à 3.000 l/s de débit nominal, si celle-ci a un diamètre d'embouchure de 404 mm (moud. V3d Galileo) et une hauteur de 710 mm, la surface de l'embouchure sera de 0,125 m2 . Une pompe à 300 l/s de débit no- minal a une embouchure de 130 mm de diamètre et une hauteur de 422 mm ("Mod. V3am Galileo") ; la surface de l'embouchure d'aspiration est de 3,097 m2. On note qu'en utilisant donc 10 pompes à 300 l/s en paral lèle, on obtient une surface d'aspiration sensiblement égale à celle d'une pompe à 3.000 1/s, tout en ayant un encombrement vertical réduit de 710 mm à 422 mm. En extrapolant, on peut dire que, lorsqu'on a un nombre très élevé de petites pompes en parallèle, de débit I/n, on a une surface d'aspiration sensiblement égale à celle d'une pompe de débit n fois supérieure et une hauteur tendant vers zéro lorsque n tend vers l'infini. Bien entendu, il n'est pas pratique d'utiliser n pompes en parallèle, lorsque n est supérieur aux valeurs de 2 ou 3. En pratique, on utilise donc les schémas des figures 3 et 4.Il faut encore ajouter que, comme on doit munir chaque embouchure de pompe à diffusion d'une soupape qui la ferme lorsqu'on introduit de l'air dans le récipient dans lequel on doit faire le vide, on ne peut utiliser un grand nombre de pompes, du fait que chacune doit comporter sa propre soupape. La présente invention part des considérations développées jusqu'à présent, à savoir qu'en pratique une pompe à diffusion a un débit proportionnel à la surface de son embouchure d'aspiration, avec une bonne approximation, et que si l'on conserve la forme cylindrique, en augmentant le diamètre de l'embouchure, on doit augmenter presque proportionnellement la hauteur. Dans la pompe selon l'invention, on abandonne la forme cy lindrique ou, en tout cas, la forme de révolution autour d'un axe, qui n'est pas requise par la théorie, mais qui a été tidoptée pour des raisons de commodité et pour des raisons historiques. En effet, on a constaté qu'une pompe peut fonctionner tout aussi bien, si l'on maintient les proportions dimensionnelles entre les différentes parties, même si sa forme est différente. On envisagera donc une pompe du type de la figure 1, non plus cylindrique, mais rectangulaire et plus ou moins allongée, comme on l'a représenté sur les figures 5, 6 et 7, la figure 7 correspondant sensiblement à la figure 1. Sur les figures 5 à 7, on a représenté un boîtier 21 en forme de prisme rectangulaire de longueur L importante par rapport à la largeur D et à la hauteur h ; l'embouchure supérieure 23 du boîtier est, de façon appropriée, munie d'une bride pour être accouplée à la chambre dans laquelle on doit faire le vide. Dans la coupe transversale de la figure 5, l'agencement correspond exactement à celui de la figure 2, avec pour différences que l'embouchure 23 est allongée et non circulaire comme dans la pompe classique de la figure 1, que les différents mécanismes ne sont pas réalisés sous la forme d'organes de révolution autour de l'axe de symétrie de la figure 2, mais de façon à avoir une section constante suivant tous les plans de coupe parallèle à celui de la ligne VII-VII de la figure 6. Si la largeur D de l'embouchure 23 est égale au diamètre de la pompe de la figure 1, la coupe réalisée suivant la ligne VII VII est identique à celle obtenue par une coupe de la pompe cylindrique suivant un diamètre. En ayant optimisé le fonctionnement de la pompe cylindrique (par la hauteur, l'inclinaison des injecteurs, la longueur de parcours de la vapeur, et ainsi de suite), on obtient un fonctionnement également optimisé de la nouvelle pompe, allongée et de longueur L, au moins dans le plan de coupe. Si la surface de l'embouchure aspirante est n fois supérieure à celle de la pompe cylindrique équivalente, la pompe a un débit environ n fois supérieur, tout en ayant une hauteur b égale à celle de la pompe cylindrique. Non seulement les gicleurs de vapeur d'huile sont annulaires, mais ils comportent aussi, bien entendu, des fentes linéaires. On peut prévoir différentes solutions pour les extrémités de la pompe linéaire, dont on voit en particulier le chapeau c1 du gicleur linéaire. Sur la figure 8, les extrémités des mécanismes situés à l'intérieur du boîtier 21 ont une forme, en vue en plan, rectangulaire, ce qui peut simplifier la réalisation pratique, mais peut présenter l'inconvénient d'offrir un jet de densité plus faible au niveau des arêtes où la section verticale suivant l'axe Y-Y des proportions différentes de celles de la demi-coupe transversale et de celles de la section des extrémités suivant le plan longitudinal de trace X-X, cette dernière section d'extrémité pouvant correspondre à la demi-coupe transversale.Une solution qui évite cet inconvénient (mais peut être plus coûteuse) est celle de la figure 9, où la paroi extérieure dans la zone d'extrémité 21B et les mécanismes intérieurs (à partir du chapeau Cive) ont une forme de révolution circonscrite à des profils semi-circonférentiels en coupe, dont l'axe est en OB ; dans ce cas, on a une uniformité des demi-coupes radiales passant par l'axe OB. Sur la figure 10, on a représenté une solution dans laquelle les mécanismes intérieurs, à partir du chapeau cl du gicleur allongé, s'achèvent contre la paroi transversale d'extrémité 21E du boîtier 21. On peut facilement combiner entre elles plusieurs pompes allongées du t-pe décrit, comme on l'a représenté, par exemple, sur la figure Il pour plusieurs pompes réalisées conformément à la figure 8. Dans ce cas, quelle que soit la réalisation en particulier des extrémités, on peut jouir d'un boîtier extérieur 25 unique qui englobe toutes les pompes côte à côte, des diaphragmes de séparation 27 étant présents entre les différentes pompes côte à côte. Les avantages pouvant être obtenus par la pompe selon l'invention consistent surtout en l'encombrement en hauteur réduit de la pompe, qui permet d'éviter des solutions telles que celles qui sont représentées sur les figures 3 et 4. D'autres avantages concernent la forme moins encombrante qu'une forme circulaire, a égalité des autres paramètres. Il va de soi que l'on peut apporter à la description précédente et au dessin annexé de nombreuses modifications de détail sans, pour cela, sortir du cadre de l'invention. Par exemple, la section de la pompe allongée selon l'invention peut correspondre à une demi-oupe diamétrale de la pompe circulaire classique, et non à la section complète, c'est-à-dire symétrique, de ladite pompe circulaire classique. On peut prévoir également plusieurs tubes à vide préalable répartis de façon appropriée au fond et reliés à des pompes séparées ou réunies pour coopérer avec une pompe unique ; il peut aussi suffir, dans certains cas, d'un seul tube à vide préalable, en position appropriée. Bien que l'on se soit référé plus particulièrement à des pompes à vide poussé, il va de soi que l'on peut appliquer les mêmes idées à d'autres pompes à degrés de pression différents. La pompe selon l'invention peut fonctionner avec n'importe quel fluide utilisé dens les pompes classiques. On pourra effectuer le refroidissement par n'importe quels moyens appropriés. REVENDICATIONS 1. Pompe à vide à diffusion à un ou plusieurs étages, ca actérisé en ce qu'elle présente en vue en plan des dimensions différentes dans deux directions perpendiculaires. 2. Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle est réalisée de façon qu'une section verticale du corps suivant une direction ait des dimensions différentes de la section verticale du corps prise suivant une autre direction perpendiculaire à la première, ladite pompe ne présentant pas de symétrie de révolution autour d'un axe. 3. Pompe selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle présente des demi-coupes transversales suivant des plans parallèles et séparés identiques ou sensiblement identiques entre elles et correspondant à la demi-coupe diamétrale d'une pompe classique présentant une symétrie de révolution autour d'un axe, ladite pompe étant allongée dans une mesure indéfinie, et, en tout cas, indépendante des dimensions suivant les coupes transversales constantes. 4. Pompe selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle présente un plan de symétrie longitudinal, notamment vertical, chaque section transversale pouvant (au moins dans une partie importante du corps de la pompe) correspondre à la section diamétrale d'une pompe classique à symétrie de révolution autour d'un axe. 50 Pompe selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'elle est réalisée, à l'une au moins de ses extrémités, avec une section suivant le plan longitudinal de symétrie qui correspond à la demi-coupe transversale, les différentes parties des extrémités ayant une forme circonférentielle (figure 9) ou carrée (figure 8). 6. Pompe selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisée en ce qu'elle est réalisée, à l'une au moins de ses extrémités, de façon que les composants internes s'achèvent contre une paroi d'extrémité sensiblement plane et transversale. 7. Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle est constituée par plusieurs pompes allongées du type précité, côte à côte, et en ce qu'elle comporte une structure extérieure unique.