Brevet FR2510203A1 — publié le 19830128

POMPE ET PROCEDE DE POMPAGE D'UN FLUIDE La présente invention concerne une pormpe pour un fluide, plus particulièrement destinée à constituer au smoins un Étage d'une pompe à vide pour l'obtention d'un vide exempt de cc, tc - mination d'huile. Pour beaucoup d'applications de la technique du vide, l'ob- tention 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 pompesmodernes ne peu- vent être mises en oeuvre que si l'on a déjà obtenu une pression "primaire" de l'ordre de 1 Pa ou moins Ce vide primaire doit bien entendu, être propre lui aussi Dans l'état actuel de la tech- nique, ce résultat ne peut être obtenu lque par des pompes à sorp- tion, refroidies à l'azote liquide, avec tous les inconvnienuts que cela comporte Les seules pompes mécaniques'propres' en usage sont les pom- pes à membranes Leur vide limite dans les systèmes à un étage, est de l'ordre de quelque 104 Pascals au moins Cette limite relativement élevée est due, entre autres choses, à l'usage de sou- papes En particulier, la conductance d'une soupape d'admission diminue avec la pression du système & vides et tend vers zéro Les soupapes sont d'autre part, gén 6 ratries de ce fue 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 disposltf xëcanique La flexibilit 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 sopwpe de refoulement devient très faible Une certaine quantité de fai eat alors piégée a haute pression, déformant la membrane et augmetant considérablement le volume mort. La présente invention a pour objet un moyen d'obtenir avec une pompe à membrane un vide primaire "propre", correspon- dant à une t 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 plu- sieurs orifices de refoulement. La pompe est constituée par une membrane souple, imperméa- ble, 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 orificesd'aspiration et de refoulement sont ménagés dans un des corps rigides Un ou plusieurs autres orifices dans le 2 ème corps rigide permettent d'établir alternativement sur la face correspon- dante 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 rigi- de et le fluide est évacué à travers le ou les orifices de refoule- ment, munis de soupapes Par contre, le ou les orifices d'admission peuvent être utilisés sans soupape: en effet, une géométrie conve- nable du dispositif fait que, au cours de la surpression, une défor- mation progressive de la membrane obture d'abord les orifices d'ad- mission avant de forcer le fluide à travers les soupapes de refoule- ment On évite ainsi une des causes qui limitent la pression finale dans les pompes mécaniques existantes: en effet, les soupapes d'ad- mission ont une conductance d'autant plus faible que la pression s'a- baisse D'autre part, les forces pneumatiques 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 fa- çon d'une onde se propageant de l'orifice d'admission 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 à membrane existants. 2510203 ' Selon l'invention, le mécanisme pneumatique qui permet d'obtenir le mouvement de la membrane est constitué par une pom- pe primaire auxiliaire (par exemple, une pompe à membrane clas- sique) et une vanne de commande L'aspiration de la pompe auxi- liaire débouche sous la membrane et crée une dépression qui ré- duit suffisamment l'écart des pressions de part et d'autre de celle-ci pour la ramener à sa position de repos (phase d'admis- sion); la même pompe auxiliaire permet à l'aide d'une dérivation munie d'une soupape, de créer une dépression en aval de l'orifi- ce d'évacuation de la pompe principale et joue donc aussi le rôle d'un étage vide "grossier" supplémentaire La vanne& commande, par exemple une électrovanne pilotée par un relais oscillant, re- met périodiquement à la pression atmosphérique l'espace sous la membrane qui est alors plaquée contre le ler corps rigide (phase de refoulement). L'invention sera mieux comprise en se référant à des modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemple et illus- trés par les dessins annexés. La figure 1 représente une section longitudinale d'une telle pompe Le mécanisme pneumatique (pompe auxiliaire, élêctrovanne, A ballast, etc) est schématiquement représenté. La surface interne du ler corps rigide 1 est constituée par deux troncs de cône accolés par leurs bases, le 2 ème corps rigide est un cylindre coaxial 2 La membrane élastique 3 est constituée par un tube, par exemple en néoprène, dont le rayon en l'absence de tension est choisi inférieur au rayon du cylindre 2 Elle est fixée par retournement de ses bouts sur les extrémités annulaires de 1; deux flasques 4 assurent l'étanchéité du mécanisme pneumati- que. On distingue dans le bicône 1 l'orifice d'admission 5 sans soupape et l'orifice de refoulement 6 avec soupape D'autre part, des orifices 7 ménagés dans 4 sont en communication à une extrémi- té avec la pompe auxiliaire 8, et à l'autre avec une électrovanne La même pompe 8 est en communication avec l'orifice de refoulement 6 par l'intermédiaire d'un ballast 10 muni d'une soupape l La prei sion dans le ballast correspond à peu près à la pression limite de la pompe auxiliaire Enfin, 9 est commandée par un relais oscillai 12. 4 2510203 Quand 9 est fermée, la pression diminue sous la membrane 3, qui se plaque sur le cylindre intérieur 2, libérant l'orifi- ce d'admission 5 Quand 9 s'ouvre, la pression atmosphérique repousse la membrane sur le bicÈne, obturant d'abord l'orifice d'admission 5 et refoulant progressivement le gaz vers l'orifice de refoulement 6 et le ballast 10, lui-même continuellement pom- pé par la pompe auxiliaire 8 La fréquence du cycle-est commandée par le relais 12. Pour améliorer encore le fonctionnement, la membrane peut avoir une épaisseur plus faible aux extrémités L'obturation de l'orifice d'admisssion intervient alors à un instant plus précoce de la phase de compression. Le choix de cette géométrie est dicté par les considérations suivantes: d'une part, la membrane tube 3 de rayon inférieur au rayon du cylindre intérieur 2 est ici toujours tendue Elle se rétracte donc pour une dépression raisonnablelentre 3 et le cylindre 2, même si le vide entre 3 et 1 est déjà très poussé. La forme symétrique de 1, avec l'orifice de refoulement au centre, assure qu'en fin de compression, la cavité résiduelle'de refou- lement se trouve exactement en vis à vis de l'orifice correspon- dant 6 "Le volume mort" réel est ainsi réduit au minimum. Une géométrie très différente est illustrée fig 2 Le prin- cipe général est le même, mais ici, la pompe auxiliaire est in- tégrée au système: le corps rigide 13 est constitué par une demi-sphère; l'orifice d'admission 17 débouche sur le grand cercle de base et l'orifice de refoulement 18 est au sommet de la demi-sphère Une membranec plane 15 est tendue entre la base de 13 et un cylindre 16 Un piston à tête hémisphérique 14 cons- titue le 2 ème corps rigide qui est donc ici mobile Une lumière 19 est ménagée à la partie inférieure de 16 et 2 orifices 20 et 21 munis de soupapes à la partie supérieure La soupage 20 s'ouvre vers l'extérieur et la soupape 21 vers l'intérieur de 16 18 et 21 sont réunis par une canalisation -Le mouvement du piston 14 est commandé par un moteur et une bielle (non-représen- tés) Quand le piston descend, la soupape 20 se ferme: une dépres- sion se crée sous la membrane qui reprend sa forme plane, déga- geant l'orifice d'admission 17 En même temps, 21 s'ouvre et admet le gaz à basse pression venant de 18. 2510203 Dès que le segment 22 du piston dépasse la lumière 19, la pres- sion atmosphérique plaque la membrane contre 13, obturant d'abord l'admission 17 et refoulant progressivement le gaz vers le refou- lement 18 Quand le piston remonte, le gaz enfermé entre 14, 15 et 16 s'échappe par la soupage 20 La soupape 21 est alors blo- quée En fin de course, il ne reste entre 14 et 15 qu'un très petit volume V 1 à la pression atmosphérique. La géométrie est ici dictée par les considérations sui- vantes la pression minimum P 2 sous la membrane est donnée par P 2 = V 1 ou V 1 et V 2 sont respectivement les volumes mini- Pl V 2 mum et maximum entre le piston et la membrane et Pl est la pres- sion atmosphérique Pour obtenir une pression P 2 sufisamment basse pour ramener la membrane, le rapport V 1 doit être aussi petit que possible Or, V 2 est limité par V 2 la course du pis- ton V 1 doit donc être très petit Autrement dit, en remontant le piston doit pouvoir épouser presque parfaitement la cavité du corps rigide 13 Les surfaces internes de 13 et la surface externe de 14 doivent donc être sensiblement semblables Une géométrie hémisphérique représente une solution simple satis- faisant ces conditions Ici encore la membrane plane peut avoir une épaisseur décroissante du centre vers les bords, pour ob- turer l'orifice d'admission à un instant plus précoce de-la phase d'admission. Remarquons que ce 2 ème dispositif est en tout point con- forme à la description générale donnée au début Simplement, la pompe auxiliaire est ici intégrée au système et constituée par le piston 14 et le cylindre 16 Le rôle de l'électrovanne est joué par la lumière 19. Dans les deux exemples de réalisation décrits, la soupape de refoulement peut être commandée L'efficacité de la soupape est en effet considérablement améliorée si sa raideur est faible pendant la compression: elle s'ouvre alors facilement Par contre, pendaint l'admission, sa raideur doit être forte, pour éviter le flux inverse. 6 2510203 La figure 3 montre un modèle d# soupape à raideur variable Un disque de néoprène 23 repose sur le siège de la soupape Un petit piston en fer doux 24 est appliqué au moyen d'un ressort sur le disque 23 La tige du piston peut se mouvoir dans la canalisa- tion d'évacuation Une bobine entoure cette canalisation et son excitation est commandée par le relais oscillant' commandant l'élec- trovanne dans la lère réalisation décrite Chaque impulsion du re- lais, ouvre la vanne (phase de compression) et débloque simultané- ment la soupape en attirant le piston vers l'intérieur de la bobi- ne On remarquera que ces nouveaux dispositifs qui utilisent uni- quement la pression atmosphérique et la dépression fournie par une pompe auxiliaire sont extrêment simples et srs. La nouvelle pompe dans la lère version décrite peut jouer le rôle d'une"pompe de suralimentation" Son couplage avec les pompes sèches à vide grossier existantes transforme celles-ci en pompe à hautesperformances et divise le vide limite par un facteur 300 au moins. La vitesse de pompage dépend essentiellement de la fréquence du cycle d'admission, c'est-à-dire, de la vitesse de pompage de la pompe auxiliaire La dépression nécessaire au fonctionnement est de l'ordre dé 0, 3 bar ou plus, et correspond à une gamme de pression o la vitesse de pompage des pompes classiques à membranes est grande. La"pompe de suralimentation" améliore non seulement considéra- blement la pression limite, mais permet d'utiliser la pompe classi- que dans les conditions de pression optimum pour la vitesse de pom- page. Dans la version à piston, la vitesse de pompage dépend essen- tiellement de la vitesse de rotation du moteur utilisé Le volume d'admission est bien plus grand que dans les pompes à membrane à couplage mécanique et la vitesse de pompage est fortement augmentée. Ces nouvelles pompes sont donc tout naturellement destinées aux applications o un vide primaire propre très inférieur à 102 Pa doit être obtenu avec des moyens pratiques et simples, par exemple pour l'amorçage des pompesioniques, cryogéniques ou turbomolêculaires, largement utilisées dans les laboratoires de recherche et l'indus- trie électronique. R E V N D I C A T I O N S 1) Pompe pour transférer un gaz d'un ou plusieurs ori- fices d'aspiration à un ou plusieurs orifices de refoulement, constituée par une membrane élastique tendue entre un-ler et un 2 ème corps rigide Le volume entre la membrane et le ler corps rigide délimite une chambre de-pompage o débouchent les orifices d'admission pouvant être sans soupapes et les orifices de refoulement munis de soupapes Le volume entre la membrane et le 2 ème corps rigide constitue une chambre de commande permettant de manoeuvrer la membrane en y faisant varier cycliquement la pression pour engendrer alternativement a) Un mouvement de refoulement en plaquant la membrane progressivement contre le ler corps rigide qbturant ainsi d'abord les orifices d'admission et refoulant ensuite le gaz vers les orifices de refoulement. b) Un mouvement d'aspiration en ramenant la membrane vers le 2 ème corps rigide, entraînant d'abord la fermeture des soupapes de refoulement et dégageant ensuite les orifices d'admission. Cette pompe est caractérisée par le fait que par l'intermé- diaire de soupapes, les orifices de refoulement communiquent avec une capacité maintenue à une pression inférieure à la pression atmosphérique et par le fait-que les mouvements de la membrane sont entraînés par une pompe auxiliaire et une vanne commandée: le mouvement de refoulement est obtenu par la mise à la pression atmosphérique de la chambre de commande au moyen de la vanne et le mouvement d'aspiration est obtenu par la mise en dépression de cette chambre de commande au moyen de la pompe auxiliaire. 2) Pompe suivant la revendication 1, caractérisée par le fait que la surface interne du premier corps rigide à la forme de deux troncs de cones accolés par la base; par le fait que le deuxième corps rigide est un cylindre coaxial avec le pre- mier corps rigide; par le fait qu'une membrane tubulaire, de rayon inférieur au rayon du 2 ème corps rigide est tendue à - l'intérieur du premier cors rigide et fixée de façon étanche par retournement de ses bouts sur les extrémités annulaires de ce corps; par le fait que la mise en place du 2 ème corps rigide cylindrique, de rayon supérieure à celui de la mem- brane se fait après avoir plaqué par dépression celle-ci sur le ler cors rigide; par le fait que le 2 ème corps rigide est complété à ses extrémités par deux flasques d'étanchéité, ser- rées sur les extrémités du ler corps rigide; par le fait que le ou les orifices d'aspiration sont à une extrémité du ler corps rigide et le ou les orifices de refoulement au centre de ce corps, à l'endroit o le rayon intérieur du corps est le plus grand;par le fait que la pompe auxiliaire est connectée à la fois aux orifices ménagés dans le 2 ème corps rigide et à la canalisation de refoulement, munie d'une soupape. -* 3) Pompe suivant les revendications i et 2 caractérisée par le fait que la vanne de rentrée d'air à commande est une électrovanne pilotée par un relais oscillant; par le fait que la soupape de refoulement est une soupape électromagnétique pilotée par le même relais assurant le relâchement de la sou- pape au début de la phase de compression. 4) Pompe suivant la revendication 1, caractérisée: par le fait que la surface interne du ler corps rigide a sensiblement la forme d'une demisphère, l'orifice d'admission étant situé à la base et l'orifice de refoulement au centre; par le fait que la membrane est plane et serrée entre la demi-sphère et un 2 ème corps cylindrique -; par le fait que la dépression est créecpar le retrait d'un piston à tête hémisphérique dansle 2 ème corps; par le fait qu'une lumière dans le 2 ème corps réadmet la pression atmosphérique sous-la membrane en fin de course du piston; par le fait que le sommet du cylindre est muni d'une soupape réglable permettant l'évacuation du gaz sous la membrane au cours du retour du piston; par le fait que le mouvement du piston est assuré par moteur auxiliaire. ) Pompe suivant les revendications 1, 2, 3 ou 1,4 caracté- risée par le fait que l'épaisseur de la membrane est plus faible à la périphérie.