Brevet FR2539822A1 — publié le 19840727

tOXPE PRIMAIRE SECHE A PIo?ON 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 contarnination 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 être mises en oeuvre que si l'on a déjà obtenu une pression "primaire" de l'ordre de 1 Pascal ou moins. Ce vide primaire doit, bien entendu, être propre lui aussi. Dans l'état actuel de la technique, ce résultat ne peut entre 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 quelque 104 Pascals au moins. Cette limite relativement élevée est due, entre autres choses, à l'usage de soupapes. Bn particulier, la conductance d'une soupape d'admission diminue avec la pression du système à vide et tend vers zéro. Les soupapes sont, d'autre part, génératrices de ce que l'on appelle le "volu;ne mort" : à la-fin de chaque cycle, un petit volume de gaz pompé est emprisonné à la pression de refoulement et retourne dans ltenceinte vidée. enfin, le mouvement de la membrane est obtenu par couplage rigide avec un dispositif mécanique. La flexibilité de la membrane est ainsi considérablement'dimi- nuée, 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, défournant la membrane et augmentant considérablement le volume mort. Une amélioration importante décrite récemment consiste à utiliser-une pompe à membrane éîastioue où le mouvement est obtenu sans couplage mécanique rigide en modulant la pression sous la membrane, par exemple par l'action alternée d'une pomme auxiliaire et de la pression atmosphérique. Le mouvement de la membrane dans la phase compression obture d'abord l'orifice d'admission et refoule ensuite progrerisivement le gaz vers l'orifice d'évEtcuation. La soupape d'admission peut ainsi être supprimée. Par rapport aux pompes à membrane classiques, ces pompes ont une conductance interne nettement plus grande et un volume aort diminue.Couplées avec une pompe auxiliaire sèche à vide grossier, elles permettent d'obtenir une pression limite de l'ordre de 10 Pascals seulement. Cette limite est due principalement au taux de dégazage relativement important des membranes en élastomère. On pourrait abaisser encore considérablement la pression en ajoutant un étage de pompage, constitué par une pompe sèche construite avec des matériaux à faible taux de dégazage, par exemple une pompe à piston, et qui ne comporterait ni soupape d'admission ni soupape de refoulement. Cette dernière condition, essentielle pour ltobtention d'un vide limite de l'ordre du Pascal ou moins, ne peut entre satisfaite que si la phase "refoulement" de la pompe à piston coïncide exactement avec la phase "admission" de la pompe à membrane et vice versa.La pompe à membrane peut alors jouer à la fois le rôle d'étage préliminaire de pompage et le rôle d'une soupape à commande pneumatique de l'étage "bon vide" à piston. La présente invention a pour objet une telle pompe à piston. La pompe, représentée figure 1, est constituée par une cavité cylindrique 1 dans laquelle se meut un piston 2, de même diamètre mais de longueur égale à la moitié de la longueur du cylindre. L'orifice d'admission 3 est situé au milieu d'une génératrice du cylindre. Les orifices de refoulement 4 et 5 sont aux extrémités. Le piston est solidaire d'un axe 6 glissant dans un passage tubulaire étanche 7 et débouchant dans un deuxième cylindre 8 que nous appellerons chambre de travail. L'axe est garni d'un deuxième piston 9 coulissant dans la chambre 8. Un orifice 10 met cette chambre 8 alternativement en communication avec la pression atmosphérique et une pompe auxiliaire 11, au moyen par exemple d'un distributeur tournant 12. Un ressort de compression 13 logé autour de l'axe sous le deuxième piston assure une force de rappel.Quand la chambre est en communication avec la pompe auxiliaire, la différence de pression sur les faces du piston 9 écrase le ressort et l'ensemble mobile se déplace jusqu'2 l'extrémité gauche ducylindre de pompage 1 ; au cours de ce mouvement, le piston 2 obture d'abord l'orifice d'admission 3 et refoule progressivement le gaz à travers l'orifice de refoulement 4. En bout de course, l'orifice d'admission 3 est découvert et un volume d'admission est créé dans la partie droite du cylindre 1. Le distributeur 12 isole alors la pompe auxiliaire 11 et met la chambre 8 à la pression atmosphérique. La détente du ressort déplace l'ensemble mobile vers la droite Le piston 2 obture à nouveau 3 et refoule le gaz vers l'orifice de refoulement 5.Le distributeur remet alors la chambre 8 en communication avec la pompe auxiliaire 11 et le cycle recommence. Il y a donc deux admissions et deux refoulements par cycle. L'orifice d'admission 14 de la pompe à membrane souple 15, décrite plus haut, est connecté directement à l'orifice de refoulement 4 de la pompe à piston. Si la pompe- à membrane est actionnée par le même distributeur 12, la membrane dégage l'orifice d'admission 14 pendant la phase de compression de la pompe à piston dans le compartiment de pompage de gauche. En effet, les chambres de travail dans les deux pompes sont alors en communication avec la pompe auxiliaire. Dès que le distributeur isole la pompe auxiliaire et met les chambres de travail à la pression atmosphérique, la membrane 16 est plaquée contre- le corps de pompe 15, obturan-t l'orifice 14. En même temps, le piston 2 repart vers la droite, recréant un volume d'admission dans la parti gauche du cylindre 1, sans qu'un flux inverse venant de 15 à travers 14 ne puisse gêner le pompage.La pompe à membrane joue ainsi, en plus du rôle de premier étage de pompage, le r3le d'une véritable soupape à commande pour l'orifice de refoule ment 4 de la pompe à piston Par contre, la phase de refoulement dans le compartiment de droite de la pompe à piston coin- cide avec la phase de refoulement de la pompe a membraneO L'orifice de refoulement correspondant doit donc être muni d'une soupape naturelle et entre connecté à la pompe 15 par une canalisation-ballast 17.L'efficacité de ce comparti;rnent sera, en début de pompage, équivalente à celle du compartiment de gauche mais diminuera avec la pression. (Pour une pression d'admission trop basse, le taux de compression de la pompe à piston ne permet plus d'atteindre une pression de refoulement suffisante pour ouvrir une soupape de refoulement "naturelle" non commandée.) Par contre, le compartiment de gauche garde son efficacité jusqu'à la limite imposée par ce que lthomme de l'art appelle le "volume mort". Dans le cas décrit, cette limite peut être très basse puisque la pression de refoulement de la pompe à piston est la pression limite de 10 Pascals seulement, entretenue par la pompe à membrane. Une variante du fonctionnement de la pompe décrite est obtenu de la façon suivante : l'orifice 10 muni d'une soupape est connecté à la pompe auxiliaire, la chambre 8 est ainsi toujours sous vide ; le distributeur est connecté à la tubulure 18 : la pression est ici modulée à droite du piston 9 : la pompe à membrane qui constitue le deuxième étage doit donc être couplée à l'orifice de refoulement 5. En effet, la dépression en 18, et donc l'admission dans la pompe à membrane, correspond au refoulement dans la- partie à droite du piston 2. Soulignons encore que les avantages du système viennent, d'une part, du fait que la pompe à piston ne comporte pas de soupape d'admission et peut être eonstruite avec des matériaux à faible taux de dégazage et, d'autre part, du fait que le couplage avec une pompe à membrane permet d'utiliser sans soupape naturelle , un des orifices de refoulement de la pompe à piston. Cette pompe a donc les caractéristiques idéales d'un étage "bon vide". Il est important de remarquer que la pompe à membrane peut être remplacée par une pompe volumétrique d'un type différent, pourvu qu'elle soit actionnée par un dispositif pneumatique similaire, permettant la même syncronisation entre le refoulement d'un compartIment de la pompe à piston et l'admission de l'autre pompe. Cette deuxième pompe peut en particulier être elle aussi du type pompe à piston . Cette pompe est un modèle simplifié du modèle précédent. Elle ne comporte qu'un seul compartiment de pompage. Comme pour la pompe à membrane, son admission correspond au refoulement d'un des compartimenta de la pompe principale à piston. Remarquons enfin que la réalisation industrielle a. ces pompes est rendue aisée par le choix du mécanisme pneumatique. Dans les systèmes décrits, les tolérances piston-cylindre sont de l'ordre de 5.10-2mm. Un mécanisme rigide avec bielle requièrerait une précision d'usinage et de montage trop couteuse. Le mécanisme pneumatique qui ne comporte pas ds couplage rigide offre une solution simple à ce problème, avec l'avantage de disposer, avec la pompe auxiliaire, d'un étage supplémentaire de vide grossier. Les systèmes décrits sont en fait des pompes à 3 étages. Ces pompes sont tout naturellement destinées aux applica- tions où un vide primaire propre de l'ordre du Pascal, sans contamination d'huile, doit être obtenu de façon simple et pratique, par exemple pour amorcer les pompes ioniques, cryogéniques etc....Elles pourraient ainsi remplacer avantageusement les pompes à sorption, refroidies à l'azote liquide, qui sont exclusivement utilisées pour ces applications dans l'état actuel de la technique. REVENDICATION s 1) Pompe comportant une cavité cylindrique dans laquelle se meut un piston et caractérisée : par le fait que l'orifice de pompage se trouve dans la partie médiane du cylindre ; par le fait qu'au cours du mouvement de va et vient du piston, des volumes d'admission sont créés alternativement de chaque côté du piston ; par le fait que l'orifice de pompage ne comporte pas de soupape, le piston jouant lui même ce raie ; par le fait que les orifices de refoulement sont situés aux extrémités du cylindre par le fait que le piston de pompage est solidaire par un axe coulissant dans un tube étanche, d'un piston auxiliaire mobile dans un deuxième cylindre coaxial avec le cylindre de pompage ; par le fait que le mouvement est obtenu en modulant la pression dans ce deuxième cylindre au moyen d'un distributeur le conne tant alternativement avec une pompe auxiliaire et la pression atmosphérique, un ressort assurant d'autre part une force de rappel ; par le fait que la pression de refoulement est maintenue inférieure à la pression atmosphérique par un étage suppiémen taire de pompage. 2) Pompe suivant la revendication 1, caractérisée par le fait que l'étage supplémentaire de pompage est constitué par une pompe volumétrique, à membrane ou à piston, sans soupape d'admission ; par le fait que cet étage est actionné en synchronisme avec la première pompe par le même mécanisme pneumatique, de sorte que le refoulement dans un des compartiments de la pompé principale coSncide avec l'admission dans la deuxième pompe par le fait que l'orifice de refoulement de ce compartiment de la pompe principale ne comporte pas de soupape ; par le fait que le refoulement de l'étage de pompage supplémentaire muni d'une soupape est connecté à la pompe auxiliaire du mécanisme pneumatique.