Brevet FR2571787A1 — publié le 19860418

POMPE PRIMAIRE A MERCURE 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'hui-le,.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 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 tissage sont les pompes à membranes. Leur vide limite dans les systèmes à un etage, est de l'ordre de quelques 104 Pascals 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 systeme à vide 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 pompe 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 piégee à haute pression, déformant la membrane et augmentant considerablement le volume mort. Une amélioration importante décrite récemment consiste à utiliser une pompe à membrane élastique où le mouvement est obtenu sans couplage mécanique rigide en modulant la pression sous la membrane, par exemple par l'action alternée d'une pompe 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 progressivement le gaz vers l'orifice d'évacuation. 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 mort diminué. Couplées avec une pompe auxiliaire sèche à vide grossier, elles permettent d'obtenir une pression limite de l'ordre de 10 Pascals seulement par étage.Des pompes à deux étages construites suivant les mêmes principes permettent d'atteindre une pression inférieure à 1 Pa. (La limite est due au taux de dégazage relativement élevé des membranes en élastomère). La vitesse de pompage est directement proportionnelle à la vitesse de pompage de la pompe auxiliaire. Le retrait de la membrane (phase admission) n'est obtenu qu'en abaissant la pression en dessous d'une valeur Pm proportionnelle au coefficient k d'élasticité de la membrane. On peut relever la valeur de P m en augmentant k mais on augmente alors dans la même proportion la valeur PM correspondant au plaquage de la membrane (phase refoulement). La différence PM ~ Pm qui commande la fréquence de fonctionnement, augmente avec k.Pratiquement,pour garder PMl bar, on est conduit à des valeurs de k correspondant à Pm c 150 mbar, valeur pour laquelle le rendement des pompes auxiliaires "sèches" est faible. La présente invention a pour objet une pompe, également à fonctionnement pneumatique avec pompe auxiliaire mais ou la valeur de Pm peut être de l'ordre de 400 mbar ou plus, tout en gardant PM c 1 bar. ( pression atmosphé- rique). La pompe est constituée par une cavité cylindrique verticale. L'orifice d'admission (sans soupape) est situé à la base et l'orifice de refoulement (avec soupape) au sommet. La pompe communique avec un réservoir de mercure, situé à un niveau plus bas. La partie supérieure de ce réservoir est en communication, par l'intermédiaire d'un distributeur, alternativement avec la pression atmospherique et une pompe auxiliaire. La pompe auxiliaire est d'autre part également en communication avec l'orifice de refoulement de la pompe principale où elle maintient une pression de l'ordre de 100 mbar. Le fonctionnement est le suivant 1. Phase refoulement Le distributeur isole la pompe auxiliaire et admet la pression atmosphérique au dessus du niveau de mercure dans le réservoir. Le mercure monte dans la cavité de pompage, obture d'abord l'orifice d'admission et chasse enfin la soupape de refoule ment. Soit H la hauteur de la pompe et h, la différence entre le niveau de l'orifice d'admission et le niveau du mercure dans le réservoir. On doit avoir H + h ~ 760 mm (on choisi une valeur inferieure, 600 mm par exemple, pour garder une pression de refoulement suffisante). 2. Phase admission Le distributeur isole le réservoir de l'atmosphère et le met en communication avec la pompe auxiliaire. Le mercure redes cend dans la cavité et libere l'orifice d'admission ; il suffit pour cela d'avoir Pm ~-h (facteur de conversion des mm de mercure en mbar).( =1,33) Soit H = 200 mm et H + h = 600 mm, on a Pm ~ 530 C'est une valeur tres élevée, pour laquelle la pompe auxiliaire a encore une vitesse de pompage presque optimum. L'utilisation du piston liquide (mercure) et d'un réservoir décale en hauteur, permet donc de relever la pression Pm corres pondant à l'admission et d'optimiser le rendement de la pompe ~auxiliaire. Il est d'ailleurs possible d'appliquer ce principe aux pompes à membrane mentionnées ci-dessus. Il suffit par exemple de tendre à l'intérieur du cylindre de pompe une membrane cylindrique. Dans ce cas, le mercure sera toujours isole du volume de pompage. Le refoulement progressif vers le haut, après obturation de l'orifice d'admission, est du ici au poids du mercure (La membrane est plus dilatée vers le bas). On retrouve par contre l'inconvénient du dégazage des membranes. L'invention sera mieux comprise en se référant à des modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemple et illustrés par les dessins annexés. On voit sur la figure I le corps de pompe a muni de la tubulure d'admission b et de l'orifice de refoulement c avec la soupape. La projection de mercure au dessus de c est bloquée en raison de la géométrie de la soupape. De même, un dispositif très simple d empêche la remontée du mercure dans la tubulure d'admission. La pompe est solidaire d'une canalisation e qui plonge au fond du réservoir f. Enfin, le couvercle du réservoir est connecté à un distributeur g relié par m à la pompe auxiliaire (non représentée) et par n à l'atmosphère. Un bouchon flottant k empêche le mercure de refluer dans le distributeur. Le fonctionnement est évident. La figure II représente une pompe similaire dans son principe mais assurant par une membrane cylindrique M une séparation entre la chambre d'admission et le mercure. Un noyau N limite la quantite de mercure nécessaire, permet la fixation de la membrane en haut et assure par serrage l'étanchéité du système. Ce noyau est d'ailleurs désaxé par rapport à la pompe de façon qu'en fin de compression, le volume résiduel final soit face à l'orifice de refoulement. Le distributeur peut être du type tournant, actionné par un motoréducteur. I1 peut aussi être du type à translation, actionné par une bobine !fiv. III). I1 est facile dans ce cas d'asservir la fréquence de fonctionnement au mouvement du mercure ; deux électrodes isolées i j debouchent l'une au niveau maximum et l'autre au niveau minimum fixés ; ces électrodes ferment ou ouvrent les circuits de deux relais qui comnandent la bobine. Quand le mercure atteint i, la bobine est activée, le piston obture les connections m avec la pompe auxiliaire et dégage les orifices de rentrée d'air n. Le mercure descend et dès qu'il atteint le niveau 5 la bobine est desactivée. Le piston est repoussé par le ressort, obture les arrivées d'air et degage les orifices de pompage. Le mercure remonte et le cycle recommence. On obtient évidemment avec un tel systeme la fréquence optimum.De nombreux modes de réalisation sont évidemment possibles ; en particulier, il est tres aisé de realiser des systèmes à deux étages. Dans sa version sans membrane, la pression limite est donnée par la pression de vapeur du mercure. Sans refroidissement, elle est de l'ordre de quelques 10 3 mbar. Des calculs détaillés montrent que la fréquence de fonctionnement peut être de 3 cycles/s environ. Une pompe avec un volume d'admission de 1 litre aurait une vitesse de pompage de 3 litres/s. (11 m3/h). La pompe auxiliaire devrait avoir une vitesse de pompage du même ordre avec une pression limite de l'ordre de 100 mbar (pression acceptable pour le refoulement). En raison de la grande inertie chimique du mercure, cette pompe à grande vitesse de pompage et excellent vide limite serait particulièrement utile aux chimistes. Les versions à membranes seraient les pompes idéales pour le couplage avec les pompes turbomoléculaires ou pour l'amorçage des pompes cryogeniques ou getter-ioniques dans tous les cas ou aucune pollution par les hydrocarbures n'est tolérable. REVENDICATIONS 1. Pompe primaire à mercure caractérisée par le fait que l'orifice d'admission est situé au bas, et l'orifice de refoulement au sommet de la pompe ; par le fait que le corps de pompe est relié par une canalisation au fond d'un réservoir situé en contrebas, l'ensemble etant partiellement rempli de mercure ; par le fait que le volume du réservoir et de la canalisation peut contenir tout le mercure de la pompe ; par le fait que la paroi supérieure du réservoir communique avec un distributeur mettant alternativement la surface libre du mercure à la pression atmosphérique ou en communication avec une pompe auxiliaire ; par le fait que la différence de hauteur entre le sommet de la pompe et le niveau le pl;s bas du mercure dans le réservoir est inférieur à 760 mm ; par le fait que sous l'action alternée de la pression atmosphérique et de la pompe auxiliaire, le mercure agit comme un piston liquide ; par le fait que la pression en aval de l'orifice de refoulement est maintenu à une valeur inférieure à 1 bar par la pompe auxiliaire. 2. Pompe suivant la revendication 1, caractérisée par le fait que les canalisations d'admission et de refoulement sont munies de bouchons flotteurs, prevenant la remontee du mercure dans ces canalisations. 3. Pompe suivant la revendication 1 ou 1 et 2 caractérisée par le fait que le corps de pompe a une forme cylindrique ; par le fait qu'une membrane élastique tubulaire, de diametre inférieur au plus petit diamètre de la pompe est tendue à l'intérieur de celle-ci et isole la chambre d'admission du mercure ; par le fait que le mercure, en raison de son poids, assure un plaquage progressif de la membrane, de l'orifice d'admission à l'orifice de refoulement ; par le fait que ltorifice d'admission ne comporte pas de soupape. 4. Pompe suivant la revendication 1, ou 1 et 3, ou 1, 2 et 3 caractérisée par le fait que le distributeur, est actionné magnetiquement par une bobine et un ressort de rappel et que l'activation et la désactivation de la bobine sont commandes par le niveau maximum et minimum du mercure dans le réservoir par l'intermédiaire de deux capteurs associes à des relais.