Brevet FR2472094A1 — publié le 19810626

La présente invention concerne une pompe à pistons rotatifs comprenant un piston de commande et au moins deux pistons de travail disposés parallèlement au piston de com- mande de façon à obtenir une répartition symétrique de leurs masses par rapport à l'axe de rotation, lesquels pistons for- ment au moins deux étages de pompage successifs et permettent à un gaz d'etre transporté exclusivement suivant le principe du déplacement volumétrique d'un étage au suivant. Les diffé- rents étages peuvent en.autre présenter des capacités d'aspi- ration différentes. Pour aspirer de fortes quantités de gaz, en parti- culier en vue de produire un vide, mais également pour faire circuler des gaz en présence de différentes de pression rela- tivement faibles, on utilise des pompes à pistons rotatifs fonctionnant à sec qui se distinguent par un rendement parti- culièrement favorable. L'inconvénient de ces pompes réside dans leur faible taux de compression. C'est pourquoi elles ne peuvent 9tre utilisées qu'en combinaison avec d'autres types de pompes à pistons rotatifs montées les unes à la suite des autres pour produire un vide. On connait une pompe à pistons rotatifs à deux éta- ges qui est constituée par deux pompes à pistons rotatifs à un seul étage et comporte par conséquent quatre pistons dans une enveloppe. Hormis le fait qu'il s'agit là simplement de monter deux pompes à un étage l'une à la suite de l'autre, cette pompe ne peut Ctre utilisée que dans un domaine de pres- sion limité de 100 à 10-4 mbars, de sorte qu'une utilisation vis-à-vis de la pression atmosphérique n'est possible qu'en combinaison avec au moins une autre pompe appropriée. Dans le brevet canadien n0 1 040 540 est décrite une machine rotative comprenant un piston de commande et deux pis- tons de travail. Cette machine est conçue pour être utilisée en premier lieu comme moteur ou compresseur. Elle est extrgment peu apte à refouler des quantités de gaz plus ou moins importantes car les gaz sont comprimés dans les espaces de travail et ensuite à nouveau détendus. Cela présente en ce qui concerne le simple refoule- ment de gaz, un processus inutile qui exige une dépense d'éner- gie superflue non négligeable; mais m9me en cas d'utilisation en tant que moteur ou compresseur, cette machine a pour incon- vénient que les masses des pistons sont réparties asymétrique- ment par rapport à l'axe de rotation, ce qui va à l'encontre d'une marche silencieuse et exempte de trépidations. Or la présente invention a pour but de créer un système de pompage qui, utilisable dans la gamme de pression de 1 000 à 10-4 mbars, marche à coup sûr de façon peu bruyante et sans trépidations m9me à des vitesses de ro1tation élevées et dans lequel aucun travail de compression superflu n'est ef- fectué. Il s'agit en outre de conserver les avantages éminents d'une pompe à pistons rotatifs, qui se traduisent par une grande capacité d'aspiration spécifique et par un fonctionnement à sec. Ce but est atteint par une pompe à pistons rotatifs à plusieurs étages qui diffère dans sa construction sensible- ment de la pompe à pistons rotatifs à deux étages connue jus- qu'à présent. Dans plusieurs espaces de puisage limités par des cylindres partiels et disposés en forme d'étoile autour d'un piston de commande tournent en sens inverse de celui-ci plusieurs pistons de travail qui sont liés au piston de com- mande par des paires de roues dentées. Entre les pistons ainsi q u'entre ceux-ci et l'enveloppe ou corps de pompe sont ménagées des fentes de sorte que dans l'espace de puisage les pièces en mouvement ne frottent pas les unes sur les autres. De ce fait aucune lubrification n'est nécessaire dans l'espace de travail de sorte que la condition d'un fonc- tionnement à.-sec est remplie. L'inévitable reflux de gaz par les fentes est insignifiant dans le domaine des vides poussé et très poussé puisque la résistance à l'écoulement augmente considérablement avec la diminution de la pression. Les paliers 3 - 2472094 et les roues dentées nécessaires à la marche synchrone me trouvent à l'extérieur de l'espace de puisage. Les pistons sont munis d'au moins deux barrettes d'étanchéité. Un équi- librage dynamique, rendu possible du fait que les masses des pistons sont répartJossymétriquement par rapport à l'axe de rotation, permet une marche peu bruyante et exempte de trépidations. Un bon rendement volumétrique est obtenu par le choix d'un profil F&vorable des pistons. Conformément au principe du déplacement volumé- trique le refoulement du gaz s'effectue de manière forcée d d'étage en étage dans le corps de pompe. -Grce à un échelonnement interne des différents étages deppompage, qui est obtenu en faisant tourner les pistons de travail à des vitesses différentes les uns par 1 5 rapport aux autres et/ou en leur conférant des diamètres de cercle de rotation différents, la pompe ressemble à un grou- pe de pompage constitué par plusieurs pompes à pistons rota- tifs présentant des capacités d'aspiration différentes. Une telle combinaison permet de réaliser des économies d'énergie împortantes sur le plan de la commande sans que la capacité d'aspiration se trouve sensiblement réduite. Le nombre des différents étages et le mode d'échelonnement peuvent 9tre choisis selon les exigences de chaque cas particulier et ne sont pas limités sur le plan de la construction. Le dernier étage ou les derniers étages d'une pom- pe à pistons rotatifs à étages multiples peuvent être équipés d'un système de refroidissement par un gaz. Le gaz de refroi- dissement est à son tour refroidi par une circulation d'eau. On obtient ainsi un accroissement de densité jusqu'à la pres- sion atmosphérique sans que cela entraIne des contraintes thermiques excessives. La pompe peut par conséquent 9tre utilisée de façon continue dans toute la plage de travail de 1000 à 10 4 mbars sans nécessiter l'adjonction d'une pompe préliminaire. Etant donné que le premier étage expûlse initialement sous des pressions relativement élevées plus de gaz que l'étage suivant ne peut en aspirer, le gaz excéden- taire est évacué par une soupape de sCreté dans l'atmosphère. 4 2472094 La pompe suivant l'invention et son mode de fonc- tionnement sont expliqués plus en détail ci-dessous à l'aide des dessins annexés dans lesquels: La figure 1 représente une pompe à pistons rotatifs à deux étages; La figure 2 représente une pompe ànpistons rotatifs à trois étages présentant un échelonnement interne, obtenu par des vitesses de rotation différentes des pistons de tra- vail, et comportant des soupapes de sCreté; La figure 3 représente une pompe à pistons rotatifs à deux étages présentant un échelonnement interne obtenu par des diamètres de cercle de rotation différents; La figure 4 représente une pompe à pistons rotatifs à deux étages équipée d'un système de refroidissement par un gaz Les figures 5a, 5b-, 5c, 5d et 5e représentent le mode de fonctionnement d'une pompe à pistons rotatifs à deux étages sans échelonnement interne; et Les figures 6a, 6b, 6c, 6d, 6e, 6f, 6g et 6h repré- sentent le mode de fonctionnement d'une pompe à pistons rota- tifs à trois étages présentant un échelonnement interne et équipée d'un système de refroidissement par un gaz. La figure 1 montre une pompe à pistons rotatifs à deux étages dans laquelle un piston de commande 4 et deux pistons de travail 5 et 6 se trouvent dans un corps de pompe l présentant une ouverture d'admission 2 et une ouverture de sortie 3. Les deux pistons de travail 5 et 6 tournent en sens inverse du piston de commande 4 et forment avec le corps de pompe des espaces de puisage 5 et 9. Le gaz est transporté d'étage en étage et enfin amené à l'ouverture de sortie 3. Entre les pistons de travail 5 et 6 et le corps de pompe ainsi qu'entre les pistons de travail 5 et 6 et le piston de commande 4 existe constamment un certain degré d'étanchéité 2472094 sans que ces éléments entrent en contact les uns avec les autres. Les deux pistons de travail 5 et 6 tournent en synchronisme avec le piston de commande 4 mais en sens in- verse de celui-ci grâce à trois roues dentées calées à l'extérieur des espaces de puisage sur les extrémités prolon- gées d'arbres d'entraînement. La figure 2 montre une pompe à pistons-rotatifs à trois étages présentant un échelonnement interne. Dans le corps de pompe 1 présentant l'ouverture d'admission 2 et l'ouverture de sortie 3 se trouvent un piston de commande 4 et trois pistons de travail 5, 6 et 7 qui tournent en sens inverse du piston de commande 4. Ltéchelonnement interne est obtenu par des vitesses de rotation différentes des pistons de travail. Les vitesses de rotation des pistons de travail 5, 6 et 7 pré- sentent entre elles le rapport 2: 3: 4. Cela se traduit également par les profils correspondants des pistons. Afin d'éviter qu'en cas d'aspiration sous des pres- sions slevées une surpression se produise dans les canaux et 22 la quantité de gaz excédentaire est évacuée dans ltatmosphère par l'intermédiaire des soupapes de sOreté 26 et 27. La figure 3 montre une pompe à pistons rotatifs à deux étages comportant le corps de pompe 1, l'ouverture d'ad- mission 2, l'ouverture de sortie 3, le piston de commande 4, les pistons de travail 5 et 6 et les espaces de puisage 8 et 9, l'échelonnement interne de cette pompe étant obtenu par des diamètres de cercle de rotation différents. La -figure 4 montre une pompe à pistons rotatifs à deux étages équipée d'un système de refroidissement par un gaz. Dans le corps de pompe l présentant l'ouverture d'admis- sion 2 et l'ouverture de sortie 3 se trouvent un piston de commande 4 et deux pistons de travail 5 et 6 qui tournent en sens inverse du piston de commande 4. Par l'intermédiaire des canaux lia et llb du gaz de refroidissement peut 9tre admis dans les espaces de travail des pistons de travail 6 et 7. Les tâtes larges 12 des pistons de travail servent à régler l'admission du gaz de refroidissement. Au moyen d'un système 6 2472094 de chambres à eau 13, 14 et 15 qui font partie d'un circuit de circulation d'eau le gaz de refroidissement est à son tour refroidi. Le mode de fonctionnement d'une pompe à pistons rotatifs à deux étages sans échelonnement interne est illus- tré dans son principe sur les figures 5a, 5b 5c, 5d et 5e qui représentent respectivement les différentes phases du cycle de travail Phase a L'espace de travail 8 est en communication avec l'ouverture d'admission 2 et aspire en cas de rotation des pistons 4, 5 et 6 du gaz sous la pression P1. Phase b L'espace de travail 8 est obturé tant par rapport à l'ouverture d'admission 2 que par rapport au canal 17. Phase c Le gaz est refoulé par l'intermédiaire du canal 17 dans l'espace de travail 9 en voie de se former. Phase d Ltespace de travail 9 est obturé-tant par rapport à l'ouverture de sortie 3 que par rapport au canal 17. Phase e L'espace de travail 9 est en communication avec l'ouverture de sortie 3 et le gaz est expulsé à l'encontre de la pression P2. Le mode de fonctionnement d'une pompe à pistons rotatifs d'une pompe à trois étages présentant un échelonnement interne et équipée d'un système de refroidissement par un gaz est illustré dans son principe sur les figures 6a, 6b, 6c, 6d, 6e, 6f, 6g et 6h qui représentent respectivement les différentes phases du cyle de travail Phase a L'espace de travail & est en communication avec l'ouverture d'admission 2 et aspire en cas de rotation 7 2472094 des pistons 4; 5, 6 et 7 du gaz sous la pression P1' Phase b L'espace de travail 8 est obturé tant par rapport à l'ouverture d'admission 2 que par rapport au canal 20. Phase c Par l'intermédiaire du canal 20 le gaz est refoulé dans l'espace de travail 9 en voie de se former. Phase d L'espace de travail 9 est obturé tant par rapport au canal 20 que par rapport au canal 22 pt le gaz est soumis à la pression P2. Phase e Par l'intermédiaire du canal 22 le gaz est refoulé dans l'espace de travail 10 en voie de se former. Phase f L'espace de travail 10 est obturé tant par rapport au canal 22 que par rapport à l'ouverture de sortie 3 et le gaz est soumis à la pression P3. Phase g Par l'intermédiaire du canal 11 et du refroidisseur l'espace de travail 10 est rempli de gaz froid de façon à 9tre soumis à la pression P4. Phase h Par l'intermédiaire de l'ouverture de sortie 3 le gaz est expulsé. el a 2472094 REVENDICATIONS 1 - Pompe à pistons rotatifs comprenant un piston de commande (4) et au moins deux pistons de travail (5, 6, 7) qui, disposés parallèlement au piston de commande, tournent dans des cylindres partiels sans se trouver en contact les uns avec les autres et avec les cylindres partiels et forment avec ceux-ci des espaces de puisage (B, 9, 10,) un certain degré d'étanchéité existant en permanence entre le piston de commande et les pistons de travail, caractérisée en ce que les différents étages se succèdent et sont formés par des pistons (4, 5, 6, 7) dont les masses sont réparties symétri- quement par rapport à l'axe de rotation et en ce que la gaz est transporté exclusivement suivant le principe de déplace- ment volumétrique d'un étage au suivant. 2 - Pompe à pistons rotatifs suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les différents étages présentent des capacités d'aspiration différentes. 3 - Pompe à pistons rotatifs suivant la revendica- tion 1 ou 2, caractérisée en ce que des capacités d'aspiration différentes sont obtenues par des vitesses de rotation diffé- rentes des pistons de travail (5, 6, 7). 4 - Pompe ànpistons rotatifs suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les capacités d'aspiration différentes sont obtenues par des diamètres de cercle de rota- tion différents des pistons de travail (5, 6, 7). - Pompe à pistons rotatifs suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en-ce que les capacités d'aspiration différentes sont obtenuies à la fois par des vitesses de rota- tion différentes des pistons de travail (5, 6, 7) et par des diamètres de cercle de rotation différents. 6 - Pompe à pistons rotatifs suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les pistons de travail (5, 6, 7) sont disposés en forme d'étoile autour du piston de commande (4). 9 2472094 7 - Pompe à pistons rotatifs suivant l'une quel- conque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'un étage ou plusieurs étages sont équipés d'un système de re- froidissement par un gaz. B - Pompe à pistons rotatifs suivant l'une quelcon- que des revendications l à 7, caractérisée en ce que le gaz de refroidissement est refroidi à son tour par un circuit de circulation d'eau (13, 14, 15). 9 - Pompe à pistons rotatifs suivant l'une quel- conque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que les soupapes de sûreté (26, 27) sont prévues entre les différents étages.