Brevet FR2572794A1 — publié le 19860509

PROCEDE POUR AUGMENTER LA CAPACITE D'ABSORPTION D'UNE POMPE DE CRYOPOMPAGE ET POMPE DE CRYOPOMPAGE ASSOCIEE Les enceintes destinées à travailler sous un bon vide, c'est-à-dire à une pression inférieure à 10 Pa, ainsi que les processus réalisés à I'inté- rieur de ces enceintes, dégazent. L'expérience montre que les principaux constituants du gaz ainsi dégagé sont l'hydrogène et la vapeur d'eau. La vapeur d'eau peut être facilement pompée par des moyens classiques ou par une paroi refroidie en-dessous de 100 K. L'hydrogène peut être pompé aisément par des moyens classiques si la pression minimale que l'on veut obtenir n'est pas inférieure à 10 5 Pa. Pour atteindre une pression inférieure, on emploie une pompe cryogénique. Le cryopompage permet d'obtenir un vide poussé en fixant les molécules d'un gaz contenu dans une enceinte sur une ou plusieurs surfaces froides en utilisant les phénomènes de condensation et d'adsorption éventuellement renforcés par un effet d'enfouissement appelé cryo-piégeage". Au cours du processus de condensation, les molécules incidentes sont ralenties par échange d'énergie avec la surface froide et restent prisonnie- res dans le puits de potentiel de Van der Waals. Le procédé est peu sensibLe au nombre de couches condensées et l'on peut fixer de grandes quantités de gaz. Dans le processus d'adsorption, on utilise les forces d'interaction gaz-surface pour retenir les molécules. Suivant le couple gaz-surface considéré, les forces d'interaction peuvent être de même nature que celles rencontrées en condensation (physisorption) ou de type chimique par liaison d'électrovalence ou de covalence (chimisorption). On connaît plusieurs types de pompes cryogéniques. On connait les pompes à bain d'hélium liquide parmi lesquelles on distingue les pompes immergées avec baffle à chevrons et Les pompes extérieures à géométrie ouverte. On connaît également des pompes qui n'utilisent pas d'hélium liquide en raison des contraintes liées à l'utilisation de ce dernier. Ces pompes comportent un réfrigérateur en circuit fermé fonctionnant selon le cycle de Gifford McMahon ou un cycle analogue. Ce type de pompe comporte généraLement deux types d'écrans. Le premier, appelé "écran à basse tem pérature' est porté à une température située entre 40 et 80 K. Le second, appelé "écran à très basse température", est porté à une température inférieure ou égale à 25 K et supérieure à 4,2 K. La température de L'écran à très basse température est trop élevée pour que l'hydrogène puisse s'y condenser. En effet, la tension de vapeur de l'hydrogène à 4,2 K est de L'ordre de 10 Pa. Pour que le cryopompage puisse avoir lieu, on utilise un absorbant tel que du charbon actif ou un autre matériau comme des zéolithes fixé sur L'écran à très basse température. L'hydrogène est absorbé par le charbon actif à une température égale ou inférieure à 25 K.On peut ainsi atteindre des pressions de L'ordre de 10 à 10-7 Pa. Cependant, dans une pompe cryogénique de ce type, la capacité de l'absorbant, par exemple Le charbon actif, à absorber l'hydrogène est Limitée. Quand il est saturé, il n'absorbe plus l'hydrogène. La vitesse de pompage commence à décliner des qu'on approche de la saturation, jusqu'à s'annuler complètement. Il est alors nécessaire de remplacer ou de régénérer la surface absorbante. Afin d'augmenter la durée de fonctionnement de la pompe entre deux remplacements ou deux régénérations de la surface absorbante, on a cherché à augmenter la quantité d'absorbant, par exemple de charbon actif. Cette solution conduit à augmenter la surface absorbante car pour assurer un bon pompage, il est nécessaire que l'absorbant soit disposé sur une seule couche et en contact intime avec L'écran porté à très basse temperature. Il s'ensuit donc une augmentation des dimensions de la pompe, et par conséquent, de son encombrement, ce qui est un inconvénient. On a cherché également à abaisser ta température de l'ecran, par exemple en utilisant un cryogé nérateur permettant une température plus basse, soit encore en ajoutant un troisième écran à une température plus basse. Cependant, cette solution augmente la complexité de la pompe et conduit à une augmentation de son coût. La présente invention a précisément pour objet un procédé qui permet d'augmenter la durée de fonctionnement d'une pompe cryogénique. Ce procédé, adapté à une pompe comportant une enveloppe dans laquelle se trouve au moins un écran comportant une surface absorbante, se caractéri- se en ce que : - ladite enveloppe étant à la pression atmosphérique, on élève la température de la surface absorbante de quelques degrés a quelques dizaines de degrés, - on laisse passer un délai de quinze minutes au moins en maintenant l'élévation de température de la sur face absorbante, - on fait progressivement le vide à l'ìnterieur de la dite enveloppe tout en maintenant le chauffage de la surface absorbante de façon que celle-ci conserve une température supérieure de quelques degrés à quelques dizaines de degrés au-dessus de la tempéra ture ambiante, - quand La pression dans la pompe et L'enceinte entre dans le régime moléculaire, on démarre la pompe cryogénique. Suivant te mode de chauffage et l'élévation de température atteinte, on peut soit arrêter le chauffage à cet instant, soit le poursuivre modérément jusqu'au moment où la température de l'étage à très basse température est abaissée en-dessous de 25 K. Dans certains -cas, il peut s'avérer nécessaire de diminuer La puissance de chauffage de façon à ne pas détériorer ta pompe. Les avantages obtenus grâce à ce procédé consistent dans Le fait que l'éLévation de la température de L'écran de quelques degrés ou de quelques dizaines de degrés au-dessus de la température ambiante a pour effet de diminuer fortement sa capacité d'absorption à cette température sous une pression égale à La pression atmosphérique. Cette différence de température favorise égaLement La désorpt-ion de l'ab- sorbant sous vide. Ces deux phénomènes conjoints conduisent à une augmentation de sa capacité d'absorption. L'invention concerne également une pompe cryogénique adaptée à la mise en oeuvre de ce procédé. Cette pompe comporte une enveloppez une bride solidaire de t'enveloppe, destinée au raccordement de la pompe à une enceinte dans laquelle on souhaite faire le vide, un premier écran, dit écran à basse température, situé dans L'enveloppe, un second écran, dit écran à très basse température, également situé dans l'enveloppe, et recouvert d'un absorbant de L'hydrogène, des moyens pour abaisser la température à l'intérieur de ladite enveloppe. Elle se caractérise en ce qu'elle comporte des moyens de chauffage de ladite surface absorbante. L'invention sera maintenant décrite plus en détail en référence aux figures annexées qui représentent seulement un mode d'exécution. La figure 1 est une vue schématique en coupe d'une pompe cryogénique adaptée à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. La figure 2 représente Les courbes isothermes d'adsorption d'un kilogramme de charbon actif avec chauffage et sans chauffage. La cryopompe 2 représentée sur la figure 1 est du genre de celles qui comportent un réfrigérateur en circuit fermé fonctionnant selon le cycle de Gifford McMahon ou un cycle équivalent, ce qui permet d'éviter les contraintes liées à l'utiLisation d'un bain d'hélium liquide. Le circuit de réfrigération, qui ne fait pas partie de l'invention proprement dite, ne sera pas décrit en détail. La pompe 2 comporte une enveloppe étanche cylindrique 4 munie d'une bride 6 destinée à son raccordement à une enceinte 8 représentée en traits mixtes, dans laquelle on désire établir un vide poussé, c'est-à-dire de l'ordre de 10 å 10 Pa. Une premier re pompe 10 raccordée à L'enceinte 8 permet d'établir un vide au moins suffisant pour démarrer la pompe cryogénique. La pompe 2 comporte un premier écran 12 dit "écran à basse température", par exemple 80 K et un second écran 14 dit "à très basse température", par exemple 20 K. L'écran 14 est recouvert d'une couche d'un absorbant tel que le charbon actif. On pourrait également utiliser un tamis moléculaire ou de l'alumine. Au-dessus des écrans 12 et 14 on peut trouver un baffle 18. A la partie inférieure de l'enveloppe est raccordée la tête d'un réfrigérateur 20 relié à un com presseur pour former un circuit de refroidissement indépendant. Ce circuit, qui ne fait pas partie de l'in- vention, ne sera pas décrit en détail. Conformément à l'invention, des moyens sont prévus pour chauffer L'écran à très basse température. Dans L'exemple de réalisation représenté, ils sont constitués par une résistance électrique 22 enroulée sur l'écran à très basse température et raccordée à des moyens d'alimentation en courant électrique 24. Selon un autre mode de réalisation, L'écran 14 est chauffé par rayonnement au moyen d'un émetteur de chaleur par rayonnement infrarouge placé en regard. Cet émetteur peut être du type utilisé dans les appareils de chauffage domestique, ou bien réaLisé à L'aide de découpes extérieures dans L'écran 12. Dans ce cas, on fait circuler un courant électrique dans l'écran découpé, la découpe servant à obtenir une résistance électrique suffisante. Selon Le procédé de L'invention, on éiéve La température de l'enveloppe de quelques degrés à quelques dizaines de degrés, pendant au moins quinze minutes. Cette montée en température doit être atteinte quinze minutes au moins avant le début de la mise sous vide. On fait progressivement le vide à l'intérieur de L'enveloppe tout en maintenant constante la température de la surface absorbante. On démarre la pompe quand la pression dans la pompe et l'enceinte entre dans le régime moléculaire. Par régime moléculaire on entend une pression d'un gaz telle que les molécules sont suffisamment raréfiées pour ne plus se heurter entre elles, tout en continuant à heurter les parois du récipient. Cette pression, qui dépend de la taille du récipient, est de L'ordre de 10 2 Pa. Quand les conditions nécessaires pour démarrer la pompe sont réunies et que l'ordre est donné à celle-ci de démarrer, on peut soit arrêter le chauffage à cet instant, soit le diminuer, soit le conser-ver. Il devra être arrêté -de-toute façon'quand la température de L'étage à très basse température atteindra environ 25 K. Ladite enveloppe étant sous vide, on arrête la pompe, on chauffe de façon à élever ta température de la surface absorbante de façon à faire désorber rapidement t'absorbant. En même temps- les gaz sont évacués dans l'atmosphère par une pompe auxiliaire. Quand les gaz désorbés sont évacués, on peut redémarrer la pompe tout en conservant, diminuant ou arrêtant le chauffage comme nous slavons vu précédemment. La pompe cryogénique de l'invent-ion qui vient d'être décrite trouve encore une application à La réduction du temps de réchauffage. En effet, lorsqu'on veut remettre une pompe ou un cryogénérateur à la pression atmosphérique, it est nécessaire d'attendre que chacune des pièces qui la constituent soit revenue à la température ambiante. Dans le cas de grosses pompes cryogéniques, ce temps de réchauffage dépasse 24 heures. Grâce aux moyens de -chauffage dont est pourvue la pompe de l'invention, le temps de réchauffage est diminué jusqu 'à un facteur 10. Dans l'exemple qui vient d'être décrit, le temps de re- chauffage est en effet de deux heures. Ceci permet La suppression de la vanne d'isolement. Une autre application est la réduction du temps de régénération et l'augmentation de son efficacité. En effet, quand une pompe est saturée, on arrête la pompe, on la laisse remonter en température et par une pompe auxiliaire on évacue à la pression atmosphérique les gaz relâchés par la pompe. En chauffant on diminue le temps et en portant la température de l'absorbant à une température plus élevée que la tempéra ture ambiante on augmente la capacité d'absorption de l'absorbant comme le montre la figure 2. On a représenté, sur la figure 2, les courbes isothermes d'adaptation de l'--hydrogène d'un kilogramme de charbon actif avec te procédé de L'invention (courbe A) et avec le procédé classique (courbe b). On constate que la quantité d'hydrogène absorbée augmente. Ce résultat confirme que la durée de fonctionnement de la pompe a été augmentée. REVENDICATIONS 1. Procédé pour augmenter la durée de fonctionnement d'une pompe (2) cryogénique, ladite pompe comportant au moins une enveloppe (4) dans laquelle se trouve un écran comportant une surface absorbante, caractérisé en ce que : - ladite enveloppe (4) étant à la pression atmosphéri que, on élève la température de la surface absorban te de quelques degrés à quelques dizaines de de grés ;; - on laisse passer un délai de quinze minutes au moins en maintenant l'élévation de température de la sur face absorbante, - on fait progressivement le vide à l'intérieur de la dite enveloppe tout en maintenant le chauffage de la surface absorbante de façon que celle-ci conserve une température supérieure de quelques degrés à quelques dizaines de degrés au-dessus de la tempéra ture ambiante, - quand la pression dans la pompe et l'enceinte entre dans le régime moléculaire, on démarre la pompe cryogénique. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite surface absorbante est chauffée par un rayonnement infrarouge. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on chauffe ladite surface absorbante en faisant circuler un courant électrique dans l'écran à basse température. 4. Procédé selon la revendication 1, carac térisé en ce que l'on chauffe ladite surface absorbante au moyen d'une résistance électrique fixée sur ledit écran. 5. Pompe cryogénique comportant une enveloppe (4), une bride (6) solidaire de l'enveloppe, destinée au raccordement de la pompe à une enceinte (8) dans laquelle on souhaite faire le vide, un pre mier écran (12), dit écran à basse température, situé dans l'enveloppe, un second écran (14), dit écran à très basse température, également situé dans l'enveloppe, et recouvert d'un absorbant de l'hydrogène, des moyens pour abaisser La température à l'intérieur de ladite enveloppe, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de chauffage (22) de ladite surface absorbante. 6. Pompe selon la revendication 5, caractérisée en ce que ladite surface absorbante est constituée de charbon actif. 7. Pompe selon la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce que les moyens pour abaisser la température à L'intérieur de ladite enveloppe (4) sont constitués par une bride fixée sur L'enveloppe et destinée à être raccordée à un cryogénérateur. 8. Pompe selon L'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisée en ce que les moyens pour chauffer ladite surface absorbante sont constitués par une résistance électrique (22) fixée sur ledit second écran. 9. Pompe selon L'une quelconque des revendications 5- à 7, caractérisée en ce que les moyens pour chauffer ladite surface absorbante sont constitués par un élément disposé dans ladite enveloppe à proximité de la surface absorbante et émettent un rayonnement infrarouge. 10. Pompe selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisée en ce que les moyens pour chauffer ladite surface absorbante sont constitués par ledit premier écran (12), cet écran étant découpé de manière à présenter une résistance électrique déterminée, et comportant des moyens d'alimentation en courant électrique (24).