Brevet FR2466639A1 — publié le 19810410

L'invention se rapporte d'une façon générale aux appareils de pompage cryogéniques et concerne plus particu- lièrement une pompe cryogénique à deux étages dans laquelle les gaz sont éliminés par condensation et/ou adsorption sur des surfaces de pompage de plus en plus froides. Dans une pompe cryogénique à deux étages, le pre- mier étage de pompage est habituellement maintenu à une température de l'ordre de 50'K à 80'K et le deuxième étage de pompage est maintenu à une température plus basse, de l'ordre de 10'K à 200K. Les gaz tels que la vapeur d'eau et l'anhydride carbonique sont cryopompés par condensation dans le premier étage à la température plus élevée, tandis que les gaz tels que l'oxygène, l'azote, l'argon, l'hélium, l'hydrogène et le néon, qui demandent une plus basse température pour se condenser ou être adsorbés, sont pompés dans le deuxième étage. Pour qu'une pompe de ce type travaille efficacement, le deuxième étage à basse température doit être abrité du rayonnement thermique extérieur. Dans la technique antérieure, on plaçait plusieurs chicanes en forme de chevrons arrangées en un groupe optiquement dense et de forme générale plane entre le deuxième étage et la chambre dans laquelle il s'agit de faire le vide afin d'abriter le deuxième étage du rayonnement thermique émis par cette chambre. Cet arrangement dense de chicanes assure certes la protection désirée, mais il gène la pénétration du gaz dans la pompe. C'est ainsi que, par exemple, une pompe capable d'évacuer 1000 litres à la seconde peut voir son débit réduit à une valeur de 150 à 250 litres à la seconde par ce groupement de chicanes. La demande de brevet déposée aux E.U.A. le 4 Août 1978 sous le n0 de série 930 953 décrit un groupement de chicanes en chevrons perfectionné, de forme appropriée pour entourer ou enfermer à peu près totalement le deuxième étage. En laissant une section libre nettement plus grande pour l'arrivée du gaz, ce groupement tridimen- sionnel assure une réduction notable de la résistance à l'écoulement du gaz vers le deuxième étage, comparativement au groupement plan plus classique. Toutefois, ce groupement tridimensionnel est d'une fabrication relativement compli- quée et coûteuse. Le but général de l'invention est de réaliser une nouvelle pompe cryogénique perfectionnée. Un autre but de l'invention est de réaliser une pompe cryogénique du type décrit plus haut, qui possède des chicanes pour abriter le deuxième étage à basse tem- pérature du rayonnement thermique tout en laissant le gaz s'écouler pratiquement librement vers ce deuxième étage. Un autre but de l'invention est de réaliser une pompe cryogénique du type ci-dessus qui soit facile à fabri- quer et puisse être produite d'une façon économique. Suivant l'invention, ces buts sont atteints par une pompe cryogénique qui possède une ouverture d'entrée établissant la communication pour l'écoulement des gaz avec la chambre dans laquelle il s'agit de faire le vide, un premier étage qui s'étend axialement en partant de l'ouverture d'entrée, un deuxième étage maintenu à une température inférieure à celle du premier étage, et une ou plusieurs chicanes possédant une dimension radiale limitée, espacées axialement l'une de l'autre entre le premier étage et le deuxième étage et servant à abriter les surfaces de pompage du deuxième étage de l'exposition directe à l'ouverture d'entrée tout en permettant aux gaz de s'écouler pratiquement sans obstacle du premier étage au deuxième étage. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple, - la Fig. 1 est une vue en élévation de côté, avec arrachement partielle et en partie schématique, d'une forme de réalisation de la pompe cryogénique suivant l'in- vention; - la Fig. 2 est une vue partielle en coupe prise suivant la ligne 2-2 de la Fig. 1; - la Fig. 3 est une vue schématique illustrant le fonctionnement des chicanes de la forme de réalisation de la Fig. 1 - les Figs 4, à 9 sont des vues schématiques en élévation d'autres formes de réalisation de-la-pompe cryogé- nique suivant l'invention. Suivant la forme de réalisation représentée sur la Fig. 1, la pompe comprend une plaque de base 11 de forme générale circulaire sur laquelle est monté un corps 12 de forme générale cylindrique. L'extrémité supérieure 13 du corps 12 est ouverte pour permettre d'établir la commu- nication avec la chambre dans laquelle il s'agit de faire le vide, et la partie centrale 14 de la paroi latérale est bombée vers l'extérieur dans une direction radiale pour permettre au gaz de s'écouler sans étranglement à l'inté- rieur de la pompe. Le refroidissement est assuré par un dispositif de réfrigération à boucle fermée dans lequel de l'hélium gazeux comprimé se détend en deux étages successifs. Ce circuit comprend un détendeur à deux étages 16 couplé à un compresseur placé une distance (non représenté). Le détendeur comprend un premier étage 17 de forme allongée comportant une paroi distale annulaire 18, et un deuxième étage 19 de forme allongée. Le premier étage est normale- ment maintenu à une température de l'ordre de 50'K à 800K, et le deuxième étage est maintenu à une température de l'ordre de 10'K à 200K. Le détendeur traverse axialement la base 11 et est fixé à cette base par des moyens appro- priés (non représentés). Le premier étage de la pompe comprend une plaque support 21 montée sur la paroi 18 du détendeur, la partie extérieure 22 de cette plaque étant déportée au-dessous du niveau de la paroi du détendeur. La plaque support est fixée à la paroi du détendeur par des vis de montage 23, et elle est en contact thermique étroit avec la paroi du détendeur Une bague de montage 26 est placée à une certaine dis- tance au-dessus de la plaque support, et une série de feuil- les axiales 27 sont disposées en couronne le long de la 2466639. circonférence de la plaque support et de celle de la bague de montage pour former une surface de pompage de forme générale cylindrique pour le premier étage. Les feuilles sont fixées à la plaque support et à la bague par des vis 28 de manière à former une structure rigide munie d'une ouverture d'entrée 29 à son extrémité supérieure. Les feuilles 27 sont courbées de manière à former un bombé radial 31 dirigé vers l'extérieur, afin de réduire l'étran- glement de la veine gazeuse dans le voisinage du deuxième étage de la pompe. Le deuxième étage de la pompe comprend une plaque 36 orientée radialement montée sur l'extrémité supérieure de l'étage 19 du détendeur, ainsi qu'une paroi extérieure tronconique 37 et qu'une paroi intérieure cylindrique 38 qui partent vers le bas de la plaque 36. Le deuxième étage est réalisé sous la forme d'une structure monombloc et est en contact thermique étroit avec-la paroi supérieure du détendeur, à laquelle il est fixé par des vis de montage 39. Le deuxième étage est disposé coaxialement à l'inté- rieur du premier étage. Des moyens sont prévus pour abriter le deuxième étage de la pompe du rayonnement direct provenant en ligne droite de la chambre dans laquelle il s'agit de faire le vide. Ces moyens comprennent une chicane supérieure 41 et une chicane inférieure 42 qui sont espacées axialement l'une de l'autre entre le premier étage et le deuxième étages. La chicane 41 comprend une partie centrale 43 de forme générale plane, placée entre l'ouverture d'entrée 29 et la plaque 36, ainsi qu'une partie tronconique 44 qui s'étend vers le bas et vers l'extérieur latéralement par rapport à la partie supérieure de la paroi 37. La chicane 42 comprend un élément tronconique placé à une certaine distance au-dessous de la partie 44 de la chicane 41, et elle possède un diamètre supérieur à celui de cette partie tronconique 44. Cet espacement est suffisant pour laisser le gaz s'écouler pratiquement sans obstacle entre les chicanes. Les chicanes sont maintenues à la tempéarture du premier étage et sont espacées des parois du deuxième étage. La chicane inférieure est supportée par des colon- nettes 46 montées sur la plaque support 21, et la chicane supérieure est supportée par des colonnettes 47 qui s'éten- dent entre les deux chicanes. Dans la forme préférée de réalisation de l'invention, les surfaces externes des feuilles 27 sont rendues fortement réfléchissantes, par exemple par nicke- lage, et l'intérieur du corps 12 de la pompe est poli par voie électrolytique pour réduire la transmission de la chaleur par rayonnement entre ces deux éléments. Les surfaces supérieures des chicanes 41 et 42sont également rendues fortement réfléchissantes, par exemple par nicke- lage, de sorte que l'énergie rayonnante émise par les sources extérieures est réfléchie sur les parois du pre- mier étage et rejetée hors de la pompe à travers l'ouver- ture d'entrée. Les surfaces intérieures des feuilles 27 sont noircies pour empêcher le rayonnement thermique externe de se réfléchir vers le deuxième étage. Les surfaces internes du deuxième étage, (c'est-à-dire la surface infé- rieure de la plaque 36, la surface intérieure de la paroi 37 et les surfaces intérieure et extérieure de la paroi 38) sont de préférence revêtues d'une matière cryosorbante telle que du charbon activé ou une zéolithe artificielle. Le fonctionnement et l'utilisation de la pompe de la forme de réalisation des Fig. 1 à 3, sont les sui- vants. Une chambre dans laquelle il s'agit de faire le vide est miseen communication pour le passage du gaz avec l'ouverture d'entrée 29, et le compresseur relié au déten- deur 16 est mis en action pour maintenir le premier étage de pompage à une température de l'ordre de 50'K à 80'K et le deuxième étage de pompage à une température de l'ordre de 18'K à 20'K. Les gaz tels que la vapeur d'eau et l'anhydride carbonique se condensent sur la surface de pompage formée par les parois internes des feuilles 27 à l'intérieur du premier étage de pompage. Les gaz tels que l'hélium, l'hydrogène et le néon sont adsorbés sur les surfaces internes des parois du deuxième étage, tandis que les gaz tels que l'oxygène, l'azote et l'argon sont pompés sur les surfaces du deuxième étage par condensation. La chicane supérieure 41 évite que les rayonnements thermiques externes ne tombent sur la partie du deuxième étage située au-dessus de la chicane 42, et la-chicane 42 empêche le rayonnement thermique extérieur d'atteindre la partie inférieure du deuxième étage. Etant espacées du deuxième étage et également l'une de l'autre, les chicanes ne gênent pas de façon appréciable l'écoulement du gaz vers le deuxième étage. Les formes de réalisation des Fig. 4 à 9 sont d'une façon générale analogues à la forme de réalisation des Fig. 1 à 3, sauf en ce qui concerne la structure des chicanes, et l'on utilise les mêmes numéros de référence pour désigner les éléments qui sont communs aux différentes formes de réalisation. Sur les Fig. 3 à 9, les lignes tiretées représentent les limites extérieures des rayon- nements qui pénètrent en ligne droite dans la pompe cryo- génique par l'ouverture d'entrée, en provenance de la chambre. Dans la forme de réalisation de la Fig. 4, on utilise une chicane unique 51. Cette chicane comprend une partie centrale 52 de forme générale plane et une partie extérieure tronconique 53 qui en part vers le bas. La partie centrale de la chicane est interposée axialement entre l'ouverture d'entrée et la plaque supérieure 36 du deuxième étage et avec la partie tronconique 53, elle abrite cette plaque 36 et la paroi 37 du rayonnement thermique direct passant par l'ouverture d'entrée 29. L'angle d'inclinaison de la paroi tronconique 53 est choisi de manière à laisser le gaz s'écouler avec un débit maximal de l'ouverture d'entrée vers le deuxième étage. La forme de réalisation de la Fig. 5 est analogue à celle de la Fig. 4, mais dans cette forme, on utilise un arrangement concentrique 56 de chicanes à profil en chevron en remplacement d'une plaque pleine pour abriter la partie supérieure du deuxième étage. Cette structure comprend une partie extérieure tronconique 57 analogue à l'élément 53 de la Fig. 4. Cette forme de réalisation ménage pour le gaz une voie d'accès supplémentaire à la structure de pompage du deuxième étage à travers le groupe de chicanes 56. Dans la forme de réalisation représentée sur la Fig. 6, l'écran antirayonnement comprend une chicane intérieure 61 placée à une certaine distance axiale au- dessus du deuxième étage et une chicane extérieure 62 placée coaxialement à. la chicane 61 et à peu près dans le même plan que celle-ci. La chicane 61 comprend une partie centrale 63 de forme générale plane, et une partie extérieure tronconique 64 qui en part vers le bas. La chicane 62 est une chicane tronconique de diamètre supé- rieur à celui de la partie tronconique de la chicane 61. La chicane intérieure abrite la partie supérieure du deuxième étage du rayonnement extérieur et la chicane 62 abrite la partie inférieure de ce deuxième étage. Comme dans les autres formes de réalisation, l'espacement et les dimensions des chicanes sont étudiés de manière que les gaz puissent passer librement entre les chicanes et les parois des étages. Dans la forme de réalisation représentée sur la Fig. 7, l'écran antirayonnement comprend une plaque de chicane 66 placée au-dessus du deuxième étage de pom- page et deux chicanes tronconiques 67, 68 espacées axiale- ment l'une de l'autre, adjacentes à la paroi 37. La plaque 66 est de plus grand diamètre que la plaque supérieure 36 du deuxième étage, et la chicane inférieure 68 est de plus grand diamètre que la chicane supérieure 67. Dans la forme de réalisation de la Fig. 8, l'écran anti-rayonnement comprend une chicane 71 placée au-dessus du deuxième étage et plusieurs chicanes 72 à 74 espacées axialement les unes des autres et situées latérale- ment par rapport au deuxième étage. La chicane 71 comprend une partie centrale plane 76 et une partie extérieure tron- conique 77. Les chicanes 72 à 74 sont tronconiques et de diamètre de plus en plus grand à mesure qu'on se rap- proche du bas du deuxième étage. Dans la forme de réalisation représentée sur la Fig. 9, l'écran thermique comprend une plaque 79 de forme 2466639. générale circulaire placée au-dessus du deuxième étage et plusieurs plaques annulaires 81 à 84 qui s'étendent radiale- ment et sont espacées axialement les unes des.autres et situées latéralement par rapport au deuxième étage, les plaques annulaires présentant des diamètres qui croissent en direction du bas de cet étage, Etant espacées les unes des autres et présentant une étendue radiale limitée, ces plaques de chicanes laissent les gaz parvenir de façon relativement libre au deuxième étage tout en abritant ce deuxième étage du rayonnement thermique extérieur. Bien que, dans les formes de réalisation con- sidérées, le premier étage de pompage et le corps de la pompe soient représentés sous une forme qui comporte des parois latérales bombées radialement pour améliorer l'écoule- ment des gaz, il va de soi que l'invention n'est pas limitée à cette configuration particulière des parois et que les structures de chicanes décrites dans le présent mémoire peuvent également être utilisées avec des parois cylindriques droites ou avec toute autre structure de parois appropriée. R E V E N D I C A T IONS 1. Pompe cryogénique destinée à extraire certaines sortes de gaz d'une chambre, cette pompe étant caractérisée en ce qu'elle comprend: des moyens (29) formant une ouver- ture d'entrée destinée à établir la communication pour le passage des gaz avec ladite chambre; un premier étage qui s'étend axialement en partant de l'ouverture d'entrée (29) et possède une surface de pompage (27) maintenue à une première température pour extraire une partie desdites sortes de gaz; un deuxième étage possédant une surface de pom- page (36, 37, 38) qui est maintenue à une température inférieure à ladite première température pour extraire une partie supplémentaire desdites sortes de gaz; et plusieurs chicanes (41, 42; 66, 67, 68; 71, 72, 73, 74; 79, 81, 82, 83, 84) espacées axialement les uns des autres entre le premier étage et le deuxième étage et servant à abriter la surface de pompage (36, 37, 38) du deuxième étage de l'exposition directe à l'ouverture d'entrée (29) tout en laissant lesdites sortes de gaz s'écouler pratique- ment sans obstacle de l'ouverture d'entrée (29) au deuxième étage. 2. Pompe cryogénique suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le deuxième étage est placé coaxiale- ment à l'intérieur du premier étage et en ce que les chicanes 41, 42; 66, 67, 68; 71, 72, 73, 74; 79, 81, 82, 83, 84) s'étendent radialement entre les étages. 3. Pompe cryogénique suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les chicanes (41, 42; 66, 67, 68; 71, 72, 73, 74; 79, 81, 82, 83, 84) forment des saillies radiales de plus en plus grandes à mesure qu'on s'éloigne de l'ouverture d'entrée (29). 4. Pompe cryogénique suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend une première chicane (41; 71) qui comporte une première partie (43; 76) inter- posée axialement entre l'ouverture d'entrée (29) et le deu- xième étage, et une partie tronconique (44; 77) qui s'étend versl'extérieur en partant de la première partie (43, 76) et dans le sens qui s'éloigne de l'ouverture d'entrée (29). 5. Pompe cryogénique suivant la revendication 4, caractérisée en ce qu'elle comprend une chicane tronconique (42; 72, 73, 74) radialement adjacente au deuxième étage (19) et qui est de plus grand diamètre que la partie tron- conique (44; 77) de la première chicane (41; 71). 6. Pompe cryogénique suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la surface de pompage (27) du premier étage est noircie pour empêcher que l'énergie thermique émise par l'ouverture d'entrée (29), ne se réfléchisse vers la surface de pompage (36, 37, 38) du deuxième étage. 7.Ponpe cryogénique suivant la revendication 1, carac- térisée en ce que les chicanes (41, 42; 66, 67, 68; 71, 72, 73, 74; 79, 81, 82, 83, 84) sont maintenues à peu près à la température du premier étage. 8. Pompe cryogénique destinée à extraire certaines sortes de gaz d'une chambre, caractérisée en ce qu'elle comprend: un premier étage possédant à une première extrémité une ouverture d'entrée(29) destinée à établir la communication avec la chambre pour le passage des gaz, et une surface de pompage (27) de forme générale cylindrique maintenue à une première température, pour extraire une fraction desdites sortes de gaz; un deuxième étage placé coaxialement à l'intérieur du premier étage (17) et com- prenant une surface de pompage (36, 37, 38) maintenue à une température inférieure à ladite première température et servant à extraire une partie supplémentaire desdites sortes de gaz; et plusieurs chicanes (41, 42; 66, 67, 68; 71, 72, 73, 74; 79, 81, 82, 83, 84) espacées axialement les unes des autres entre le premier étage-et le deuxième étage et qui sont destinées à abriter la surface de pompage (36, 37,-38) du deuxième étagy de l'exposition directe à l'ouver- ture d'entrée (29) tout en laissant lesdites sortes de gaz s'écouler pratiquement sans obstacle de l'ouverture d'entrée (29) au deuxième étage. 9. Pompe cryogénique suivant la revendication 8, caractérisée en ce que la surface de pompage (27) du premier étage est noircie pour éviter que l'énergie thermique émise par l'ouverture d'entrée (29) ne se réfléchisse vers la surface de pompage (36, 37, 38) du deuxième étage. 10. Pompe cryogénique suivant la revendication 8, caractérisée en ce que les chicanes comprennent une pre- mière chicane (41; 71) possédant une partie (43; 76) de configuration générale plane interposée axialement entre l'ouverture d'entrée (29) et le deuxième étage, et une partie tronconique (44; 77) qui s'étend vers l'extérieur en partant de ladite partie de forme générale plane (43; 76) et dans le sens qui s'éloigne de l'ouverture d'entrée (29); et une deuxième chicane (42 72, 73, 74) radiale- ment adjacente au deuxième étage et comprenant une paroi tronconique de plus grand diamètre que la partie tronconique (49; 77)de la première chicane (41; 71). 11. Pompe cryogénique suivant la revendication 8, caractérisée en ce que les chicanes comprennent des plaques annulaires (81, 82, 83, 84) qui s'étendent radialement. 12. Pompe cryogénique suivant la revendication 8, caractérisée en ce que le premier étage comprend une bague (26) adjacente à l'ouverture d'entrée (29), une plaque support (21) située à l'extrémité de cet étage qui: est à l'opposé de-l'ouverture d'entrée (29), et un en- semble de feuilles individuelles (27) qui s'étendent entre la bague (26) et la plaque (21) pour former la surface de pompage (27) de forme générale cylindrique. 13. Pompe cryogénique suivant la revendication 12, caractérisée en ce que les feuilles (27) sont d'une forme appropriée pour donner naissance à un bombé radial qui donne passage à un plus grand débit de gaz dans la région du deuxième étage. 14. Pompe cryogénique destinée à extraire certaines sortes de gaz d'une chambre, caractérisée en cequ'elle comprend: des moyens formant une ouverture d'entrée (29) destinée à établir la communication avec la chambre pour 2466639. le passage des gaz; un premier étage qui s'étend axiale- ment en partant de l'ouverture d'entrée (2.9) et comprend une surface de pompage (27) maintenue à une première température, pour extraire une partie desdites sortes de gaz; un deuxième étage possédant une surface de pompage (36, 37, 38) maintenue à une température inférieure à ladite première température, pour extraire une partie supplémentaire desdites sortes de gaz; et une chicane (41, 42; 51, 56, 57; 61, 62; 67, 68, 71 à 74) comprenant une partie tronconique (44; 53; 57; 64; 77) qui s'étend vers l'extérieur et dans le sens qui s'éloigne de l'ouverture d'entrée (29) pour abriter la surface de pompage (36, 37, 38) du deuxième étage de l'exposition directe à l'ouverture d'entrée (29) tout en laissant lesdites sortes de gaz s'écouler pratiquement sans obstacle de l'ouverture d'entrée (29) au deuxième étage. 15. Pompe cryogénique destinée à extraire certaines sortes de gaz d'une chambre, caractérisée en ce qu'elle comprend: un premier étage qui présente à une première extrémité une ouverture d'entrée (29) destinée à établir la communication avec la chambre pour le passage des gaz et une surface de pompage (27) de forme générale cylindrique maintenue à une première température et servant à extraire une partie desdites sortes de gaz; un deuxième étage disposé coaxialement à l'intérieur du premier étage et possédant une surface de pompage (36, 37, 38) maintenue à une tem- pérature inférieure à ladite première température, pour extraire une partie supplémentaire desdites sortes de gaz, la surface de pompage (27) du premier étage étant noircie pour éviter que l'énergie thermique émise par l'ouverture d'entrée (29) ne se réfléchisse vers la surface de pompage (36, 37, 38).du deuxième étage; une première chicane (41; 71) qui possède une première partie (43; 76) interposée axialement entre l'ouverture d'entrée (29) et le deuxième étage et une partie tronconique (44; 77) qui s'étend vers l'extérieur en partant de la première partie (43; 76) et dans le sens qui s'éloigne de l'ouverture d'entrée (29); et une deuxième chicane (42; 72, 73, 74) de forme tronconique radialement adjacente au deuxième étage et de plus grand diamètre que la partie tronconique (44; 77) de la pre- mière chicane, lesdites chicanes (41, 42; 71, 72, 73, 74) étant maintenues à peu près à la température du premier étage et abritant la surface de pompage du deuxième étage de l'exposition directe de l'ouverture d'entrée (29) tout en laissant lesdites sortes de gaz s'écouler pratiquement sans obstacle de l'ouverture d'entrée (29) au deuxième étage.