Brevet FR2530298A1 — publié le 19840120

i POMPE CRYOGENIQUE A ADSORPTION Llinvention concerne une pompe cryogénique à adsorption à un seul'étage pour un domaine de pression allant de 1000 mbar à 10-7 mbar et à un fonctionnement de pompage en continu, du type comportant: un réfrigérateur relié par une liaison thermoconductrice à des surfaces de parois métalliques; sur lesquelles est disposé un matériau d'adsorption dont la température, qui s'élève pendant une durée prédéterminée de désorption environ à la température ambiante, est établie et réglée pendant la durée de l'adsorption, par le réfrigérateur, à environ 600 Ko Les pompes cryogéniques connues fonctionnent avec des surfaces de parois métalliques disposées dans un récipient de pompage, et qui sont ré- frigérées, par un réfrigérateur raccordé au récipient de pompage, en deux phases par exemple, d'abord à environ 70 K (kelvin) et ensuite à 20 O K, de telle sorte que des gaz et vapeurs se condensent sur les surfaces de parois et y forment un précipité solide (Lexikon Technik und exakte Naturwissenschaften, tome 10, page 2993, 1972). Cette pompe cryogénique nécessite Cependant un vide prliminaire d'environ 10-3 mbar cependant un vide préliminaire dtenviron 10 mbar, parce qu'un refroidissement à la pression atmosphé- rique provoquerait une couche de condensation ?rop épaisse, influençant de façon préjudiciable l'action de pompage à de basses pressions, La pompe auxi- liaire produisant le vide préliminaire est une pompe électromécanique, avec laquelle le vide s'accompagne impérativement d'un résidu d'huile. Dans des domainres d'utilisation déterminés, il est nécessaire de maintenir absolument un vide exempt de résidus d'huile C'est ainsi que, par exemple, lors de la réalisation de structu- res électroniques en vide très poussé, en raison des couches micro-fines à constituer dans ce vide, l'in- crustation de molécules d'hydrocarbure est la cause d'un taux de rebut d'environ 70 %, qui renchérit considérablement le produit Des exigences d'une importance correspondante en ce qui concerne l'absence d'huiîle du vide sont valables dans le domaine de la technologie de fusion. On connait également des pompes à adsorption dans lesquelles des gaz sont absorbés sur un matériau d'adsorption tel que, par exemple, du charbon actif Ce matériau se trouve cependant, au bout d'un temps prédéterminé, saturé en gaz à absorber, ce qui oblige alors à interrompre la marche de la pompe et à régénérer le matériau d'adsorption. Il s'ensuit qu'il n'est pas possible ou seulement au prix d'une dépense considérable de maintenir un vide très poussé pendant une durée relativement longue. Il est connu, d'autre part, de réunir la pompe cryogénique et la pompe à adsorption en une seule pompe cryogénique à adsorption (Chemie tngenieur 'echnik, 40 ème année, 1968, brochure 5, pages 2607 à 213)) et de relier de façon rigide des surfaces de parois métalliques à un tamis moléculaire. Cette installation est cependant affectée des mêmes inconvénients que la pompe à adsorption, de sorte que le vide poussé établi ne peut pas être maintenu pendant le temps nécessaire à la réfrigération du tamis moléculaire. L'invention a pour but d'améliorer les pompes cryogéniques à adsorption connues de manière à obtenir que le dégazage du matériau d'adsorption puisse être réalisé sans interruption du fonctionnement de la pompe. L'invention concerne à cet effet une pompe cryogénique à adsorption du type de construction indiqué dans le préambule-ci-dessus -qui est caractérisée par la combinaison des caractéristiques suivantes: un carter de pompe relié à un récipient et dans lequel sont logées les surfaces de parois réfrigérées est rempli, dans la zone de ces surfaces de parois, au moins en partie, par un matériau d'adsorption granulé, débouche une conduite d'amenée pour amener le matériau d'adsorption dans le carter de la pompe, débouchant au-dessus des parois réfrigérées, et une conduite de départ pour le matériau d'adsorption étant raccordée au point le plus bas du carter, avec dans cette conduite de départ, un premier dispositif transporteur emmenant hors du carter de la pompe le matériau d'adsorption chargé de corps adsorbé et, dasn la conduite d 'amenée, un second dispositif transporteur qui transporte dans le carter de la pompe le matériau d'adsorption exempt en presque - totalité de co rps adsorbé; la conduite de départ et le conduit d'amenée étant reliées l'une à Vautre par un régénérateur ayant pour fonction de désorber le matériau d'adsorption. Les avantages de la pompe cryogénique à adsorption qui est proposée conformément à l'invention résident notamment en ce que, indépe=in- damment de la pression initiale qui se présente lors v 5 du début du pompage, on peut établir un vide très poussé prédéterminé et le maintenir sans limitation de durée, en le rendant absolument exempt de résidus d'huile. La description ci-après et le dessin annexé se rapportent à un exemple de réalisa- tion de l'invention La figure unique de ce dessin est une vue d'ensemble schématique montrant la structure et le montage d'une pompe cryogénique à adsorption conforme à l'invention. A l'extrémité supérieure d'un car- ter de pompe 1 disposé verticalement est raccordé, par un joint à brides 2, un récipient 3 Un écran opti- que 4 disposé dans le plan du raccord à brides 2 emp 9 che la pénétration d'un rayonnement infrarouge dans le récipient 3. Le fond 5 du carter 1 de la pompe est constitué sous la forme d'une enveloppe en c 8 ne de révolution, à la pointe dirigée vers le bas de laquelle est raccordée une conduite de départ 6 Dans 2, le carter 1, sont disposés verticalement, et paral- lèlement les unes aux autres, plusieurs surfaces de parois planes 7, constituées par des tôles de cuivre ou d'aluminium qui sont reliées, par une liaison thermoconductrice, à un réfrigérateur 8, qui -30 refroidit c 3 S surfaces de parois 7 à une température d'environ 400 K. Au-dessus des surfaces de parois 7 est disposé, dans le carter 1 de la pompe, un butoir 9 en forme de cône, dont la pointe dirigée vers le haut se situe tout juste au-dessous de l'orifice de sortie 10 d'une conduite d'amenée 11 o La conicité du butoir 9 est identique à l'inclinaison du c 8 ned'- boulement de déjection d'un matériau d'adsorption granulé 12 amené par la conduite 11 et qui remplit entièrement, dans la zone des surfaces de parois 7 réfrigérées, l'espace compris entre le fond 5 du carter 1 et le butoir 9. La longueur et la forme de chacune des surfaces de parois 7 sont déterminées par le cône d'6- boulement du matériau d'adsorption granulé 12 et le fond 5 du carter 1. C Ghacune des surfaces de parois 7 est disposée à une distance prédéterminée du fond du carter 1 et du butoir 9, telle qu'elle assure le passage sans entrave du matériau d'adsorption 12. Le passage non entravé du matériau d'adsorption granulé 12 qui peut être cons- titué par exemple par de la zéolite, du charbon actif ou autre matériau adsorbeur de volume est assuré en outre grâce au fait que le butoir 9 présente un grand nombre d'alésages dont le diamètre est adapté à celui des-grains du matériau d'adsorption et permet une répartition uniforme sur les espaces formés entre les surfaces de parois 7 Le même but est atteint par un intervalle annulaire 13, qui est formé entre le bord de plus grand diamètre du butoir 9 et la paroi latérale du carter 1. Dans la conduite 6, est monté un premier dispositif transporteur 14 qui emmène hors du carter 1 le matériau d'adsorption 12 chargé de corps adsorbé; ce transporteur 14 est constitué par une vis dans fin entrainée par moteur électrique. Dans la conduite d'amenée 11, est monté un second dispositif transporteur 15, qui transporte dans le carter 1 de la pompe le matériau d'adsorption 12 exempt de corps adsorbé; ce second transporteur 15 a la même structure que le premier transporteur 14 o Les conduites 6 et 11 sont reliées l'une à l'autre par un régénérateur 16 ayant pour fonction de désorber le matériau 12. Ce régénérateur 16 est constitué par un récipient de forme tubulaire, dont l'extrémité reliée à la conduite 6 peut être fermée par une soupape d'entrée 17 et dont l'extrémité reliée à la conduite 11 peut être fermée par une soupape de sortie 18 Au régénérateur 16 est raccordée au moins une soupape d'évacuation 19 pour les gaz qui, pendant la désorption, se dégagent lors de la montée de la température du matériau d'adsorption 12. La soupape d'entrée 17, la soupape de sortie 18 et la soupape d'évacuation 19 sont constituées par des soupapes mégnétiques. En vue d'accélérer l'opération de désorption, le régénérateur 16 peut être maintenu au moyen d'un dispositif de chauffage 20, à une tempéra- ture prédéterminée d'environ 4000 K. La conduite d'amenée 11 est pour- vue d'un dispositif réfrigérant 21, sous l'action duquel le matériau d'adsorption granulé 12 est refroidi, avant son entrée dans le carter 1 de la pompe, à une température d'environ 100 K. On obtient un déroulement optimal du fonctionnement de l'installation au moyen d'un dispositif de commande 22 qui, pendant une durée - réglable nécessaire pour la désorption du matériau 12 qui se trouve dans le régénérateur 16, ouvre la soupape d'é- vacuation 19 et ferme en même temps les soupapes 17 et 18 et met ainsi hors circuit le premier et le second transporteur 14, 15. -35 Le matériau d'adsorption granulé 12 remplit donc en permanence l'espace situé entre les surfaces de parois réfrigérées ô, ainsi que les volumes de la conduite de départ 6, du régénérateur 16 et de la conduite d'amenée 11. Le matériau d'adsorption 12 est soumis par le dispositif réfrigérant 21 à un refroidissement assez poussé pour quitter la conduite d'amenée 11 à une teméprature d'environ 1000 K Dans la zone 'des surfaces de parois réfrigérées 7, la température du matériau d'adsorption 12 est abaissée à environ 50 K, l'adsorption de gaz étant accélérée d'autant plus que la température s'abaisse. Le dispositif de commande 22 ouvre alors les soupapes d'entrée 17, de sortie 18 et d'évacuation 19, et met en même temps en circuit le premier et le seond transporteur 14, 15; par suite le matériau d'adsorption 12 chargé de corps adsorbé dans le carter 1 de la pompe est transporté dans le régénérateur 16 et ce matériau, qui aura été adsorbé auparavant dans le régénérateur 16, est transporté dans la conduite d'amenée i 1 et il est alors, avant sa réintroduction dans le carter 1, refroidit par le dispositif réfrigérant 21 à environ 1000 K. REVENDICATIONS 1 Pompe cryogénique à adsorption à un seul étage pour un domaine de pression allant de 1000 mbar à 10-7 mbar et à fonctionnement de pompage en continu, du type comportant: un réfrigérateur ( 8) relié par une liaison thermoconductrice à des surfaces de parois métalliques ( 7); sur lesquelles est disposé un matériau d'adsorption ( 12) dont la température, qui s'élève pendant une durée prédéterminée de désorption environ à la température ambiante, est établie et ré- glée pendant la durée de l'adsorption, par le réfri- gérateur ( 8), à environ 600 K. Pompe cryogénique caractérisée en ce qu'elle comprend: un carter de pompe -( 1) relié à un récipient ( 3) et dans lequel sont logées les surfaces de patois ( 7), au moins en partie, par un matériau d'adsorption granulé ( 12); débouche une conduite d'amenée ( 11) pour amener le matériau d'adsorption ( 12) dans le carter ( 1) de la pompe, débouchant au- dessus des parois réfrigérées ( 7); et une conduite de départ ( 6) pour le matériau d'adsorption ( 12); étant raccordé au point le plus bas du carter ( 1); avec dans cette conduite de départ ( 6), un premier dispositif transporteur ( 14) emmenant hors du carter ( 1) de la pompe le matériau d'adsorption ( 12) chargé de corps adsorbé; et dans la conduite d'amenée ( 11), un secnnd dispositif transporteur ( 15) qui transporte dans le carter ( 1) de la pompe le matériau dt'adsorption ( 12),exempt en presque totalité de corps adsorbé; la conduite de départ ( 6) et la conduite d'ame- née ( 11) étant reliées l'une à l'autre par un régé- nérateur ( 16) ayant pour fonction de désorber le matériau d'adsorption ( 12). 2 = Pompe seéron la revendication 1, caractérisée en ce que le fond ( 5) du carter ( 1) de la pompe est constitué sous forme d'enveloppe d'un cône de révolution, dont la pointe dirigée vers le bas est raccordée à la conduite de départ (-6). 3 Pompe selon la revendication 1, caractérisée par la combinaison des caractéristiques suivantess a) dans le carter ( 1) de la pompe est disposé, au-dessus des surfaces de parois réfri= gérées ( 7), un butoir ( 9) en forme de cône dont la pointe dirigée vers le haut se situe tout juste au-dessous de l'orifice de sortie de la conduite d'amenée ( 11), un intervalle annulaire ( 13) étant formé entre le bord de plus grand diamètre de butoir ( 9) et la paroi latérale du carter ( 1); b) le butoir ( 9) présentant un grand nombre d'alésages adaptés au diamètre des grains d'adsorption ( 12) et 9 c) la conicité du butoir ( 9) étant identique à l'inclinaison du cône d'éboulement du matériau d'adsorption granulé ( 12). 4 Pompe selon la revendication 1, caractérisée par la combinaison des caractéristi= ques suivantes: a) les surfaces de parois réfri- gérées ( 7) sont disposées verticalement et parallè- lement les unes aux autres dans la zone du carter ( 1) de la pompe qui est limitée par le fond de ce carter ( 1) et le butoir ( 9); b) la longueur et la forme de chacune des surfaces de parois ( 7) sont déterminées par le cône d'éboulement du matériau d'adsorption granulé ( 12) et le fond ( 5) du carter ( 1) de la pompe; c) chacune des surfaces de parois ( 7)Mst disposée à une distance prédéterminée du fond ( 5) du carter ( 1) de la pompe et du butoir ( 9) telle qu'elle assure le passage sans entrave du matériau d'adsorption ( 12). Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que le régénérateur ( 16) est constitué par un récipient de forme tubulaire, dont l'extrémité reliée à la conduite de départ ( 6) peut être fermée par une soupape d'entrée ( 17) et dont l'extrémité reliée à la conduite d'amenée ( 11) peut être fermée par une soupape de sortie ( 18), au moins une soupape d'évacuation ( 19) pour les gaz qui, pendant la désorption, se dégagent du matériau d'adsorption ( 12), étant raccordée au générateur ( 14); la soupape d'entrée ( 17), la soupape de sortie ( 18) et la soupape d'évacuation ( 19) étant constituées sous la forme de soupapes magnétiques. 6 Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que le régénérateur ( 16) est pourvu d'un dispositif de chauffage ( 20) accélérant la désorption du matériau d'adsorption ( 12). 7 A Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que la conduite d'amenée ( 11) est pourvue d'un dispositif réfrigérant ( 21) sous l'action duquel le matériau d'adsorption granulé ( 12) est refroidi, avant son entrée dans le carter ( 1) de la pompe, à une température d'environ 100 K. 8 Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que le premier et le second dispositifs transporteurs ( 14, 15) sont constitués chacun par une vis sans fin commandée par moteur électrique. 9 Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle est pourvue d'un dispositif de commande ( 22) qui, pendant une durée prédéterminée nécessaire pour la désorption du ma= tériau d'adsorption ( 12) qui se trouve dans le régénérateur ( 16), ouvre la soupape d'évacuation ( 19), ferme la soupape d'entrée ( 17) et la soupape de sortie ( 18) et met hors circuit le premier et le second dispositif S transporteurs ( 14, 15).