Brevet FR2488948A1 — publié le 19820226

La présente invention concerne une pompe pour un fluide, plus particulièrement destinée à constituer au moins un étage d'une pompe à vide pour l'obtention d'un vide exempt de contamination d'huile. Pour beaucoup d'applications de la technique du vide, l'obtention d'un vide "propre", sans contamination d'huile, est un besoin essentiel. C'est ainsi que les pompes à diffusion d'huile sont de plus en plus souvent remplacées par des pompes ioniques, cryogéniques etc ... Malheureusement, ces pompes modernes ne peuvent entre mises en oeuvre que si l'on a déjà obtenu une pression "primaire" de l'ordre de 10 2Torr ou moins. Ce vide primaire doit bien entendu, etre propre lui aussi. Dans l'état actuel de la technique, ce résultat ne peut être obtenu que par des pompes à sorption, refroidies à l'azote liquide, avec tous les inconvénients que cela comporte. Les seules pompes mécaniques "propres " en usage sont les pompes à membranes. Leur vide limite dans les systèmes à un étage, est de l'ordre de quelques dizaines de Torr au moins. Cette limite relativement élevée est due, entre autres choses, à l'usage de soupapes. En particulier, la conductance d'une soupape d'admission diminue-avec la pression du système à vides et tend vers zéro. Les soupapes sont d'autre part, génératrices de ce que l'on appelle le "volume mort" : à la fin de chaque cycle, un petit volume de gaz pompé est emprisonné à la pression de refoulement et retourne dans l'enceinte vidée. Enfin, le mouvement de la membrane est obtenu par couplage rigide avec un dispositif mécanique. La flexibilité de la membrane est ainsi considérablement diminuée, ce qui augmente encore le volume mort.Mais surtout, la conductance de refoulement pour les parties éloignées de la soupape de refoulement devient très faible. Une certaine quantité de'gaz est alors piégée à haute pression, déformant la membrane et augmentant considérablement le volume mort. La présente invention a pour objet un moyen d'obtenir avec une pompe à membrane un vide primaire "propre", correspondant à une pression limite bien plus basse que celle obtenue avec les dispositifs existants. L'invention s' applique donc à une pompe pour transférer un fluide d'un ou de plusieurs orifices d'admission à un ou plusieurs orifices de refoulement. Selon l'invention, la pompe est constituée par une membrane souple, imperméable, tendue entre deux corps rigides auxquels elle est fixée de façon étanche par sa périphérie. Les surfaces internes des corps rigides sont écartées, de sorte qu'il existe toujours une cavité entre la membrane et l'un ou l'autre des corps fixes rigides. Les orifices d'aspiration et de refoulement sont ménagés dans un des corps rigides. Un ou plusieurs autres orifices dans le deuxième corps rigide permettent d'établir alternativement sur la face correspondante de la membrane une surpression et une dépression. Au cours de la dépression, le fluide à pomper est admis entre la membrane et le premier corps rigide au cours de la surpression, la membrane est plaquée contre le premier corps rigide et le fluide est évacué à travers le ou les orifices de refoulement, munis de soupapes.Par contre, le ou les orifices d'admission peuvent être utilisés sans soupape : en effet, une géométrie convenable du dispositif fait que, au cours de la surpression, une déformation progressive de la membrane obture d'abord les orifices d'admission avant de forcer le fluide à travers les soupapes de refoulement. On évite ainsi une des causes qui limitent la pression finale dans les pompes mécaniques existantes : en effet, les soupapes d'admission ont une conductance d'autant plus faible que la pression s'abaisse. D'autre part, les forces pneumatiques ou hydrauliques utilisées permettent à la membrane d'épouser intimement la surface du premier corps rigide à la fin de la compression et le volume "mort" est considérablement diminué.Surtout, la compression est faite progressivement à la façon d'une onde se propageant de l'orifice dladmis- sion à l'orifice de refoulement : la conductance reste toujours grande et le fluide n'est pas écrasé dans des cavités parasites comme c'est le cas pour les dispositifs a membrane existants. L'invention sera mieux comprise en se reférant à.des modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemple et illustrés par les dessins annexés. La figure 1 représente une section longitudinale d'une telle pompe. Les corps rigides sont constitués par deux cylindres métalliques coaxiaux 1 et 2. La membrane 3, de form cylindrique également, est tendue sur le cylindre 2. Deux pièces auxiliaires 4 assurent l'étanchéité aux deux extrémités du système On distingue dans le cylindre extérieur 1, l'orifice d'admission 5 et l'orifice de refoulement 6. D'autre part, des orifices 7 débouchent sous la membrane à travers le cylindre 2 et sont en communi- cation, à une extrémité, avec une distribution de fluide sous pres sion 8 et à l'autre avec une électro-vanne 9.Quand 9 est fermée, la pression sous la membrane augmente. Celle-ci gonfle et se plaque progessivement contre le cylindre 1, obturant d'abord l'orifice de refoulement 6. Quand 9 est ouverte, la pression sous la mem brane s'abaisse. La membrane se contracte, libérant l'orifice 5 et créant le volume d'admission. La fréquence du cycle est commandée par l'électrovanne 9. Le fonctionnement est schématisé fig.2. Pour améliorer le rendement de la pompe, la membrane peut avoir une épaisseur plus faible dans la région des orifices d'admission. L'ob turation de ces orifices intervient alors à un instant plus précoc de la phase de compression. La figure 3 représente une réalisation plus complexe oû les cylindres sont remplacés par des troncs de cône 1 et 2 coaxiaux. La membrane 3, cylindrique, est tendue sur le tronc de cône in térieur -et les forces élastiques de rappel dans la membrane sont alors croissantes de l'extrémité a du dispositif (petit diamètre) à l'extremité b (grand diamètre). L'orifice d'admission est ménagé dans 1 dans le voisinage de . Au cours de la compression, la membrane prend la forme schématisée fig.4. La figure 5 représente une réalisation toujours basée sur les mêmes principes, mais utilisant une géométrie sphérique, de contruction plus difficile. Enfin, la figure 6 représente une réalisation à géométrie plane très simple : le corps rigide 1 est constitué par une platin en forme d'assiette ; le corps rigide 2 est un simple disque plat sur lequel est tendue la membrane 3. Une telle géométrie donne tdes forces élastiques de rappel dans la membrane très inférieures à celles correspondant à la géométrie cylindrique, conique ou sphérique, le retour de la membrane a sa configuration plane de repos ne peut être obtenue qu'en créant entre la membrane et le corps 2 une dépression importante. L'orifice d'admission 4 est situé au centre de 1 et les orifices de refoulement 5 à la péri phérie. Un orifice 6 dans 2 est connecté à une pompe auxiliaire 7 et une électrovanne 8.Quand 8 est fermée, la pression entre la membrane 3 et la platine 2 s'abaisse ; la membrane revient à sa géométrie plane de repos, créant ainsi la cavité de repos entre 3 et 1. Quand 8 est ouverte, la pression revient à une atmosphère et plaque progressivement la membrane sur 1, obturant d'abord l'o- rifice d'admission et refoulant ensuite le gaz vers la périphérie et les soupapes de refoulement. Le fonctionnement est schématisé fig.7. Ici encore, on peut donner à la membrane une épaisseur plus faible dans la région centrale correspondant à l'orifice d'admis-sion. Bien entendu, l'invention n'est pas strictement limitée aux modes de réalisation décrits à titre d'exemple. La géométrie des corps rigides et de la membrane peut être très variée ; d'autre part, la déformation de la membrane peut être obtenue avec, par exemple, un système hydraulique. Dans tous les cas, on peut noter qu'avec ce type de pompe, la soupape d'admission n'est plus necessaire, ce qui améliore les performances a basse pression. D'autre part, la réduction du volume de la cavité de pompage au cours de la compression se fait progressivement de la région d'admission à la région de refoulement, et-laisse toujours subsister une important conductance pour l'évacuation du gaz compresse. Enfin, l'absence de couplage mécanique rigide avec la membrane permet à celle-ci d' épouser parfaitement la surface du corps rigide en fin de compression : les volumes "morts" sont ainsi considérablement réduits. Ces caractéristiques permettent d'obtenir, à encombrement égal, une vitesse de pompage plus élevée et une pression limite beaucoup plus basse qu'avec les pompes mécaniques sèches existantes Ces nouvelles pompes sont donc tout naturellement destinées aux applications où un vide primaire propre correspondant à une pression limite inférieure à 1 Torr doit être obtenu avec des moyens pratiques et légers. Par exemple, pour l'amorçage des pompes ioniques ou cryogéniques, largement utilisées dans les laboratoires de recherche et l'industrie électronique. REVENDICATIONS 1/ Pompe pour transférer un fluide d'un ou de plusieurs orifices d'aspiration à un ou plusieurs orifices de refoulement, caractérisée : par le fait qu'elle est constituée par une membrane élastique imperméable, tendue entre deux corps rigides auxquels elle est fixée de façon étanche par sa périphérie ; par le fait qu'entre les corps rigides et la membrane et de part et d'autre de celle-ci, il existe deux cavités de volume variable ; par le fait que les orifices d'aspiration et de refoulement débouchent à travers le premier corps rigide dans la cavité correspondante qui est la cavité de pompage ; par le fait qu'un ou plusieurs orifices auxiliaires débouchent à travers le deuxieme corps rigide dans l'autre cavité et sont connectés avec un dispositif pneumatique ou hydraulique créant alternativement dans cette cavité une surpression ou une dépression : au cours de la surpression, la membrane est plaquée contre le premier corps rigide, supprimant la cavité de pompage et refoulant le fluide à travers l'orifice de refoulement; au cours de la dépression la membrane, par le jeu des forces élastiques dues à sa géométrie, se décolle du premier corps rigide et recrée la cavité de pompage ; par le fait qu'au cours de la surpression, la membrane efface progressivement la cavité de pompage, obturant d'abord l'orifice d'aspiration et refoulant ensuite continüment le fluide vers le ou les orifices de refoulement, conservant ainsi à la conductance de refoulement une valeur élevée ; par le fait que la pompe peut fonctionner sans soupape d'admission. 2/ Pompe selon la revendication 1, caractérisée: par le fait que le premier corps rigide est une platine en forme d'assiette creuse et le deuxième, une platine plane sur laquelle est tendue une membrane également plane ; par le fait que l'orifice d'aspiration est au centre du premier corps rigide et les orifices de refoulement à sa périphérie. 3/ Pompe selon la revendication 1, caractérisée : par le fait que les corps rigides sont deux cylindres coaxiaux, la membrane également cylindrique étant tendue sur le cylindre intérieur ; par le fait que le ou les orifices d'aspiration sont ménagés dans le cylindre extérieur vers le milieu de sa longueur et le ou les orifices de refoulement sont ménagés aux extrêmités de ce même cylindre par le fait que l'étanchéité entre les différents éléments est assurée aux deux extrémités du dispositif par des joints convenables. 4/ Pompe selon la revendication 1, caractérisée : par le fait que 1 corps rigides sont deux troncs de cônes coaxiaux, la membrane de forme cylindrique étant tendue sur le cône intérieur ; par le fait que le ou les orifices d'aspiration sont ménagés dans le cône extérieur, dans la région de plus petit diamètre et le ou les orifices de refoulement, dans la région de plus grand diamètre. 5/ Pompe selon la revendication 1, caractérisée : par le fait que le corps rigide extérieur est une sphère et que la membrane est un ballon intérieur à la sphère connecté à l'extérieur par un col passant à travers la sphère, le deuxième corps rigide étant constitué par une simple bride d'étanchéité. 6/ Pompe suivant les revendications 1, 2, 3, 4, ou 5 caractérisée par le fait que l'épaisseur de la membrane n' est pas constante dans toute son étendue, la région en vis à vis des orifices d'aspiration étant toujours la plus mince. 7/ Pompe suivant les revendications 1, 2, 3, 4, 5 ou 6 ou le dispositif pneumatique actionnant la membrane est constitué par une sour ce de fluide comprimé et une vanne à commande (électrique par exemp: 8/ Pompe suivant les revendications 1, 2, 3, 4, 5 ou 6 oû le dispos: tif pneumatique est constitué par une pompe auxiliaire et une vanne à commande. 9/ Pompe suivant les revendications 1, 2, 3, 4, 5 ou 6 ot le deuxib corps rigide et constitué par le cylindre et le piston d'un compris seur. Une partie du deuxième corps rigide, le piston, est donc mobi