Brevet FR2425006A1 — publié le 19791130

La présente invention a pour objet une pompe adaptée à faire passer des liquides d'une chambre maintenue sous vide dans un espace où la pression est plus élevée, comportant un corps de pompe auquel se raccorde sensiblement tangentiellement une tubulure de pression, un rotor ou roue de pompe tournant dans le corps de pompe, auquel le liquide arrive axialement par une tubulure d'admission, et des organes de refoulement disposés sur la roue de pompe et s'étendant entre celle-ci et la paroi du corps de pompe. Le transfert de liquide d'un espace maintenu sous vide vers un espace où la pression est plus élevée joue un rôle important, nota-mment en matière de technique opératoire chimique. De nombreux processus ne peuvent s'effectuer que sous vide. Lorsque ces processus s'effectuent en continu, il faut également que le liquide pulsse être évacué de façon continue, ce qui, la plupart du temps, s'effectue contre la pression atmosphérique. On se heurte à des difficultés particulières lorsque le liquide à évacuer est à une température proche du point d'ébullition, et qu'il faut par conséquent refouler des bulles de vapeur en même temps que le liquide. Lorsqu'on utilise à de telles fins des pompes à liquide de type courant, il faut prévoir une hauteur d'admission compensant la différence de pression. Pour diminuer ces grandes hauteurs d'admission, on utilise comme pompes à liquide des pompes à anneau liquide. Dans ces pompes, l'anneau liquide qui tourne en même temps que le rotor assure en permanence l'étanchéité de l'espace à basse pression par rapport à espace à pression plus élevée. Au rotor ou roue de pompe produisant cet anneau liquide sont associées une ou plusieurs roues à aubes qui assurent le refoulement proprement dit. Etant donné que l'anneau liquide tourne en même temps que la roue de pompe, le liquide se réchauffe sous l'effet des forces de frottement, ce qui provoque une augmentation du taux d'évaporation, notamment lorsque le liquide se trouve déjà à une température proche du point d'ébullition.Par ailleurs, la formation de bulles de vapeur et de gaz provoque le phénomène indésirable de cavitation. te liquide évaporé doit être remplacé par du liquide frais, et l'an- neau liquide doit être refroidi par arrivée de liquide refoulé, de sorte que ces pompes nécessitent en permanence un débit d'admission minimal qui est loin d'être faible. Enfin, ces pompes exigent également urecertaine hauteur d'admission, qui est supérieure à 0,50 m. De plus, ces pompes ne peuvent être utilisées dans une zone de vide poussé(allant de quelques torr à environ 10 2 torr). On sait également utiliser, dans le domaine qui vient d'ê- tre décrit, des pompes à déplacement, dites également pompes positives ou volumétriques, par exemple pompes à engrenage, pompes hélicoidales,(monopompes), pompes à palettes (pompes à lamelles) ou autres pompes analogues. Avec ces pompes également, il faut avoir un débit d'admission minimal important, avec une hauteur a'admission déterminée, sinon de l'air peut pénétrer par suite de non-étanchéité d'interstice. Aucune de ces pompes ne doit fonc tonner à sec. C'est pour cette raison que ces pompes ont de plus besoin d'une commande de réglage ou d'une régulation de niveau régler le débit, ainsi que de soupapes de retenue du coté refoulement.L'avantage de ces pompes est quelles peuvent être utilisées également dans le vide-poussé, mais leur durée de vie n'est satisfaisante que si le liquide de pompage présente des propriétés lubrifiantes. Pour les liquides visqueux et les suspensions épaisses, on utilise de plus des sas, mais ils n'ont pas d'action au point de vue refoulement. C'est donc un but de l'invention de créer une pompe d'évacuation pour liquides sé trouvant sous vide, dans laquelle le débit de refoulement s'adapte automatiquement et de façon sure à la quantité de liquide admis, qui, lorsque le débit d'admission prend une valeur nulle, maintient la différence de pression statique et qui est capable de refouler de façon continue des liquides contenant des gaz et des liquides en ébullition sans nécessiter de hauteur d'admission et sans cavitation. Ce résultat est obtenu par 11 invention avec une pompe telle que décrite au début grâce au fait que chaque organe derefoule- ment se présente sous la forme d'un siphon relié de façon étanche à la chambre d aspiration de la roue de pompe, comportant un canal de circulation qui dirige d'abord le liquide vers l'extérieur puis le ramène vers l'intérieur jusqu'à une ouverture de sortie, et race au fait que la chambre dtaspiration de la roue de pompe est reliée au coussin de gaz de la chambre à vide,et est rendue étanche par rapport aux parties du corps de pompe qui ne tournent pas. Grâce au fait que chacun des canaux d'écoulement rotatifs a la forme d'un siphon, le liquide arrivant dans le sens axial staccumule dans la zone du coude, comme cela se passe dans un tube en U à branches de longueur différente, tandis que, dans une section du canal de circulation, il s'établit un niveau de liquide déterminé, comme ce serait le cas pour la branche la plus longue du tube en U. A l'autre section du canal de circulation, qu'on peut comparer à la branche la plus courte du tube en U, le liquide sort, la différence de hauteur entre le bord de sortie et le niveau du liquide dans l'autre section du canal d'écoulement variant en fonction des différences de pression instantanées entre, d'une part, la chambre à vide et, d'autre part, l'espace à pression plus élevée qui reçoit le liquide.Le débit d'admission peut être extrêmement faible ; il peut, en particulier, s'effectuer pratiquement goutte à goutte. Etant donné que le liquide est mis sous pression vers l'extérieur par rotation dans un canal de refoulement pratiquement bouché et ouvert seulement par les ouvertures de sortie en direction du corps de pompe, il se produit une augmentation de pression dans le sens radial, par suite de laquelle les bulles de vapeur qui se trouvent dans le liquide refoulé se condensent, et les bulles de gaz sont absorbées. On évite ainsi le phénomène redouté de cavitation. Un autre avantage de la pompe selon l'invention est qu'il n'y a pas d'anneau liquide en rotation, susceptible de se réchauffer et par conséquent de provoquer une augmentation du taux d'évaporation et de dégazage. La pompe peut être utilisée aussi bien pour le vide moyen que pour le vide pousse. Pour la mise en marche de la pompe, il suffit de la remplir à peu près à moitié car les canaux de circulation se remplissent ensuite automatiquement depuis le côté aspiration. De plus, la pompe s'adapte automatiquement à n'importe quel débit d'admission. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, chaque canal de refoulement est formé par une partie tubulaire se raccordant sensiblement dans le sens radial à la roue de pompe ou rotor, et par une partie en forme de capot ou de calotte recouvrant ltem- bouchure de cette partie tubulaire. Ce mode de réalisation est particulièrement simple au point de vue technique de fabrication et de fonctionnement et, de plus, présente une grande sûreté de fonctionnement. L'avantage important que présente ce genre de pompe par rapport aux pompes à déplacement est qutil n'y a pas de problème d'étanchéité d'interstice, et que, par conséquent, les tolérances de finition très étroites nécessaires avec les pompes à déplacement ne jouent aucun rôle pour les pompes selon l'inven tion. Lorsque la pompe est destinée à être utilisée pour traiter des liquides contenant des particules de matière solide, il est prévu selon 1 T invention que, dans la zone de leur point culminant, forant- changement de direction du liquide et passant à proximité de la paroi du corps depompe au cours de la rotation, les anaux de circulation présentent une ouverture de faible largeur intérieure qui, éventuellement, peut être obturée. Sous l'effet des forces centrifuges, les matières solides contenues dans le liquide se déposent en effet dans la zone de ce point culminant et peu- vent sortir dans le corps de pompe en passant par- l'ouverture de faible largeur. La largeur intérieure de l'ouverture est choisie telle que le coussin de liquide qui se trouve dans la zone du point culminant ne peut sortir.Les ouvertures peuvent également être des ouvertures obturables ce qui permet de ne les ouvrir que de temps en temps lorsque la proportion de matière solide contenue dans le liquide est faible. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exem- ple, en référence au dessin annexé dans lequel - la figure 1 représente schématiquement le principe de fonctionnement de la pompe selon l'invention - la figure 2 est une vue en coupe axiale d'un mode de réa lisation pré géré de la pompe selon l'invention ; - la figure 7 est une coupe effectuée suivant la ligne III-III de la figure 2 ; d'un autre mode - la figure 4 est une coupe axiale/de réalisation de I'in version effectuée suivant la lionne IV-IV de la figure 5 - a figure 5 est une coupe effectuée suivant la ligne V-V de la figure 4 ;; - la figure 6 est une vue en ccupe axiale d'un troisième noce de réa invention de l'invention - la fifre 7 est une coupe radiale effectuée suivant la ne VII-VII de la figure 6, la moitié supérieure et la moitié inférieure de la figure représentant chacune un mode de realisation différent de la pompe selon l'invention - 'a figure 8 représente un mode de réaiisation de la pomte selon l'invertion avec une ouverture obturable du côté périphérique ; - la f gare 9 est une variante du mode de réalisation représenté à la figure 8. Dans le schéma de fonctionnement de la figure 1 on a représenté une chambre à vide 1 et une deuxième chambre 2 maintenue sous une pression supérieure, par exemple sous pression atmosphérique. La chambre 1 peut être par exemple un évaporateur à vide ou un dispositif analogue. Entre la chambre à vide 1 et la chambre 2 est disposée la pompe de transfert qui est désignée dans son ensemble par 3. Cette pompe comporte un corps de pompe 4 avec une tubulure d'admission 5 et une tubulure de refoulement 6 représentée seulement de façon schématique. La pompe comporte de plus un rotor ou roue de pompe 7 qui est mis en rotation par un moteur d'entrainement 8 par l'intermédiaire d'un arbre 9.La roue de pompe 7 et plus précisément sa chambre d'aspiration ll sont rendues étanches par rapport aux parties rotatives du corps de pompe 4 au moyen d'un joint d'étanchéité 20. La roue de pompe 7 comporte plusieurs canaux de refoulement 10 s'étendant vers l'extérieur qui sont agencés sensiblement suivant le principe du tube en U. Partant d'une chambre d'aspiration 11 de la roue de pompe 7, ces canaux présentent d'abord un segment 12 dirigé vers l'extérieur, puis forment un coude de rebroussement 13 auquel fait suite un segment 14 revenant vers l'intérieur. Le segment 14 se termine par une ouverture de sortie 15. Lorsque la roue de pompe 7 tourne, le liquide contenu dans la chambre à vide 1, passant par la tubulure d'arrivée 5, arrive à la chambre d'aspiration 11 et, par suite de l'accélération due aux forces centrifuges, est refoulé dans le canal de refoulement 10. I1 se forme alors dans chaque canal de refoulement 10 une colonne de liquide, conformément au principe des vases communicants, le niveau du liquide dans le segment 14 des canaux de refoulement étant déterminé par l'ouverture de sortie 15 tandis que le niveau du liquide dans le segment 12 des canaux de refoulement 10 s'jtabllt de façon variable en fonction de la différence de pression entre la chambre 1 et la chambre 2. Cette différence entre les niveaux de liquide est indiquée en h dans le dessin.Mais, en tout état de cause, on a la certitude qu'il y a toujours un bouchon de liquide dans les canaux de refoulement 10, ce qui empêche tout passage d'air. Le refoulement continu du liquide s'effectue de façon particulièrement régulière et sure si la chambre d'aspiration 11 est reliée par une conduite 16 avec le coussin de gaz de la chambre à vide 2 de sorte que la pression de gaz est identique dans les deux chambres. Dans les figures décrites ci-après, représentant quelques modes de réalisation pratique de l'invention, on a repris pour les parties essentielles de la pompe les mêmes nombres de référence que ceux qui sont utilisés pour la figure 1. Dans le mode de réalisation représenté aux figures 2 et 7, le corps de pompe 4 de la pompe 3 est constitué de deux coquilles 41 et 42. L'arbre mo teur 9 passant à travers la coquille 41 pénètre dans le corps de pompe 4. La roue de pompe 7 est fixée sur l'arbre- 9 au moyen d'une vis 17.La roue de pompe 7 comporte de plus un moyeu 18 entourant l'arbre 9 auquel est associé un joint d'étanchéité 19 qui assure l'étanchéité de la chambre de pompe par rapport au coté entrainement. La roue de pompe comporte dans le sens axial une chambre d'aspiration 11 dans laquelle pénètre la tubulure d'arrive vée 5 qui traverse la partie de corps de pompe 42. La roue de pompe 7 est raccordée par la conduite 16 au coussin de gaz de la tham- bre à vide non représentée à la figure 2. Dans l'exemple de réalisation représenté, le rotor de pompe 7 possède au total six canaux de refoulement 10 s'étendant vers l'extérieur, la figure 3 montrant deux modes de réalisation différents. Dans le premier mode de réalisation, chaque canal de refoulement est constitué par un segment tubulaire 101 se raccordant à la chambre d'aspiration 11 et s'étendant vers l'extérieur, et par un segment en forme de calotte 102 s'engageant de l'exté- rieur par dessus ce segment tubulaire, et qui peut être fixé, par exemple au moyen d'un filetage 103, à un épaulement cylindrique correspondant 104 de la roue ae pompe. Le segment en forme de calotte 102 comporte plusieurs ouvettures de sortie 105 en forme de lumières. Dans la partie supérieure droite de la figure 3 est repré senté un deuxième mode de réalisation de canal de refoulement 10. Ici aussi la roue de pompe 7 comporte une partie tubulaire 106 s1 étendant dans le sens radial vers l'extérieur et une partie 107 en fore de calotte recouvrant cette dernière par l'extérieur, mais cette partie en forme de calotte n'est fixée à la partie tubulaire 106 que par quelques éléments d'écartement 108 ce qui donne naissance à une ouverture de sortie en forme d'anneau ouvert 109.Lorsque la pompe sert à refouler des liquides contenant des parcelles de matière solide, la partie en forme de calotte 102, dont la partie culminante 110 passe à proximité de la parol du corps de pompe 4 quand la roue de pompe tourne, peut comporter une ouverture 111 de faible largeur intérieure, de sorte que les particules de matière solide sortent à l'extérieur et sont emmenées par le côté extérieur des canaux de refoulement 10 en rotation jusqu'à la tubulure de compression 6. Dans le mode de réalisation représenté aux figures 4 et 5, le corps de pompe 4 est analogue à celui qui est représenté aux figures précédentes. La seule différence est que la conduite d'équilibrage de pression 16 passe dans la tubulure d'admission et, dans le sens axial, s'étend par une partie tubulaire 21 jusque dans la chambre d'aspiration 11 de la roue de pompe 7 de la pompe 3. Dans ce mode de réalisation, la roue de pompe 7 est constituée par deux disques 71, 72 qui sont assemblés l'un à l'autre au moyen de vis 73. Les disques 71, 72 sont maintenus à une certaine distance l'un de l'autre grâce à des barrettes 112 disposées sur la face frontale d'au moins un des disques. Dans l'exemple de réalisation représenté, les barrettes 112 ont un profil ondulé qui est constitué par deux tronçons rectilignes 113, 114 reliés par un élément de liaison 115 tourné vers la chambre d'aspiration, et par un tronçon 116 en arc dont une branche 117 est dirigée vers l'intérieur. Entre ces barrettes et les faces frontales des deux disques de rotor 71, 72 sont ainsi formés les canaux de refoulement qui, dans ce cas, ont une section transversale rectangulaire. Le liquide peut sortir entre la branche 117 dirigée vers l'intérieur et le tronçon radial voisin 113. Les barrettes ondulées peuvent être des pièces profilées maintenues serrées entre les deux disques de roue de pompe 71,72, ou bien elles peuvent être coulées sur la face frontale de l'un des deux disques de roue de pompe. Les figures 6 et 7 montrent deux modes de réalisation semblables.Ici aussi, la roue de pompe est constituée par deux disques 73, 74, des barrettes coulées sur la face frontale 75 de l'un des disques de roue de pompe 74 formant les canaux de refoulement 10. Dans le mode de réalisation représenté en haut de la figure 7, ces barrettes sont cons- tituées par un tronçon courbe 118 qui s'étend de la chambre d'aspiration 11 jusqu'à la périphérie extérieure et, par un second tronçon 119 plus court que le tronçon 118 et parallèle à lui par dessus lequel passe une branche 120 dirigée vers l'intérieur. Dans le mode de réalisation que représente la moitié inférieure de la figure 7, cette branche 120 s'étendant vers l'intérieur se prolonge par un segment 121 en forme d'arc dirigé vers ltexté- rieur, de façon à former un canal de sortie entre les deux seg- ments courbes 118 et 121. Les deux disques de roue de pompe 73, 74 sont dans ce cas également assemblés au moyen de vis 76. Les figures 8 et 9 montrent des exemples de réalisation dans lesquels la roue de pompe 7 est faite de trois parties en forme de disques 77, 78 et 79. Entre l'un des deux disques de roue de pompe extérieur 77 et le disque de roue de pompe médian 78 est formée la section de canal de refoulement partant de la chambre d'aspiration 11 et s'étendant vers l'extérieur, désignée par 12 à la figure 1, tandis qu'entre l'autre disque extérieur de roue de pope 79 et le disque médian de roue de pompe 78 est formée l'autre section 14 du canal de refoulement.Le disque médian de roue de pompe 78 a un diamètre inférieur à celui des deux disques extérieurs de roue de pompe 77, 79, ce qui donne naissance > un canal de transfert 80 à la périphérie de la roue. Dans le ode de réalisation représenté à la figure 8, ce canal de transfert 8Q est obturé par une bague coulissante 81. Comme on peut le voir dans la partie supérieure de la figure 8, cette bague 81 peut être engagée sur le disque extérieur de roue de pompe 79, de sorte cue le canal de transfert 80 est alors ouvert vers le haut et que les matières solides qui sty sont éventuellement accumulées peuvent sortir.Dans ce mode de réalisation, il est prévu un tuyau d'évacuation 82 pour faire sortir les matériaux solides s'accumulant dans le disque de roue de pompe 79 également dans le mode de réalisation représenté à la figure 9, la roue de pompe 7 est constituée par trois disques 83, 84, 85 qui sont aércés de façon sensiblement analogue à ceux de la figure . rouir obturer du côté périphérie le canal de transfert 80 il esL prévu ici une sorte d'anneau élastique en O oui s'appli- que nermétiJement contre les disques de roue de-pompe chanfrei nzs de façon correspondante à cet endroit. L'élasticité de cet anneau en 0 peut être telle que, lorsque l'augmentation de pression darus les canaux de refoulement atteint une valeur déterminée, 'anneau se soulève de sorte que les particules de matière solide euven-: sortir, ce qui réalise un auto-nettoarage de la roue. REVENDICDIONS 1. Pompe à faire passer des liquides d'un espace maintenu sous vide dans un espace où la pression est plus élevée, comportant un corps ae pompe auquel se raccorde sensiblement tangentiellement une tubulure de pression, une roue de pompe ou rotor montée rotative dans le corps de pompe, à laquelle le liquide arrive axialement par une tubulure d'admission,et des organes de refoulement disposés sur la roue de pompe et stétenelanl entre ladite roue et la paroi du corps de pompe, caractérisée en ce que chaque organe de refoulement se présente sous la forme d'un siphon relié de façon étanche à la chambre d'aspiration (11) de la roue de pompe (7) comportant un canal de refoulement (10) qui, dans un premier temps, dirige le liquide vers l'extérieur puis le renvoie vers l'intérieur à une ouverture de sortie (15), et en ce que la chambre d'aspiration (11) de la roue de pompe (7) est reliée au coussin de gaz de la chambre à vide (1) et est rendue étanche par rapport aux parties non rotatives du corps de pompe. 2. Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que la roue de pompe (7) comporta une cavité disposée dans le sens axial, formant la chambre d'aspiration (11) de ladite roue, à l'intérieur de laquelle pénètre axialement la tubulure d'aspiration (16, 21) de la pompe (3). 3. Pompe selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que chaque canal de refoulement (10) est formé par une partie circulaire (101) se raccordant sensiblement radialement à la roue de pompe (7) et par une partie en forme de calotte (1û2) sfengageant par dessus l'embouchure de la partie tubulaire. 4. Pompe selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les canaux de refoulement (10) sont cintrés dans le sens opposé au sens de rotation de la roue de pompe (7). 5. Pompe selon ltune quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la roue de pompe (7) est constituée par deux disques (72,71 ou 73,74) assemblés dans un plan radial, occupant approximativement entièrement l'intérieur du corps de pompe (4), l'un de ces deux disques, ou les deux disques, comportant sur les faces frontales se faisant face des barrettes ou nervures (112) de même hauteur se dirigeant tout d'abord vers l'ex- térieur puis formant une courbe vers l'intérieur, les barrettes voisines (113, 114, 116, 117) et les faces frontales des disques tournées l'une vers l'autre formant respectivement un canal de refoulement (10) de section transversale rectangulaire. 6. Pompe selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérlsé en ce aue, à proximité de la périphérie extérieure des dEsaues (71, 72), les barrettes ou nervures (112) sont cintrées en arc de cercle, formant un point culminant (116) provoquant l'inversion du sens de circulation du liquide 7.Pompe selon llune quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, dans la zone de leur joint culminant (110, 11U) provoquant le ehangement de direction du liquide, qui, iors de la rotation de la roue, passe a proximité de la paroi du cor^ps de pompe (4) da la pompe (3), les canaux de refoulement(10) possèdent une ouverture (111) de faible largeur intérieure. 8. Pompe selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée an ce que la roue de pompe ou rotor (7) est constituée par trois disques (77, 78, 79) dont le disque médian (78) a un diamètre inférieur à celui des deux disques extérieurs (77,79) afin de former un canal de transfert (80) modifiant la direction dlbcoulement du liquide, et en ce que les trois disques sont maintenus à une certaine distance l'un de l'autre au moyen de barrettes ou nervures disposées sur au moins l'une de deux faces frontales tournées l'une vers l'autre, qui forment entre elles les canaux de refoulement (10, 12, 14). 9. Pompe selon la revendication 8, caractérisée en ce que espace (80) compris entre les deux disques extérieurs (77,79)- est hermétiquement elos du côté pGriphérique par un anneau mo oille (81). 10. Pompe selon la revendication 9, caractérisée en ce que l'anneau (81) est fait en matériau élastique et se soulève de 7 même lorsque la pression dans l'espace (80) compris entre les deux disques (77,79) atteint une valeur déterminée.