Brevet FR2676255A1 — publié le 19921113

Pompe à vide sèche rotative, volumétrique sans frottement La présente invention concerne une pompe à vide sèche rotative, volumétrique sans frottement. Les pompes de ce type sont particulièrement intéressantes puisqu'elles fonctionnent sans frottement et peuvent donc être utilisées sans huile entre le stator et les rotors, contrairement par exemple aux pompes à palettes lubrifiées. Ce type de pompe comprend essentiellement les pompes Roots mono ou multi-étagées, les pompes à griffes, comme par exemple celle décrite dans le brevet français 2 517 755, et les pompes à double vis. En revanche, dans ce type de pompe, les fuites internes, dans le sens du refoulement vers l'aspiration sont beaucoup plus importantes que dans les pompes à palettes lubrifiées. Ces fuites internes ont pour conséquence de limiter le taux de compression de la pompe par le fait qu'il arrive un moment où le courant de retour (la fuite interne) égale le volume engendré et où l'on n'aspire donc plus rien, c' est le cas lorsque le refoulement s'effectue à des pressions inférieures à environ 1 mbar ; mais lorsque le refoulement s'effectue à des pressions supérieures, cette limitation est plus importante encore, car on atteint une limite thermique avant que ne soit atteint ce phénomène où le courant de retour est égal au volume engendré, en effet, ce recyclage permanent, à des pressions plus élevées, provoque un échauffement interne tel que les dilatations des pièces mécaniques deviennent du même ordre de grandeur que les jeux internes d'où un grippage.Ainsi, par exemple, si l'on refoule à la pression atmosphérique, le taux de compression est limité, selon la taille de la machine et un éventuel refroidissement avec l'extérieur, à deux ou trois. Cette limitation excessive du taux de compression lorsque l'on refoule à la pression atmosphérique est pénalisante pour atteindre un niveau donné de pression limite, car cela nécessite alors d'augmenter le nombre d'étages pour atteindre cette pression. Il est connu de pallier cet inconvénient en refroidissant les rotors en injectant, entre l'aspiration et le refoulement de la pompe, un flux de gaz froid pendant la phase du cycle où une chambre de transfert est isolée à la fois de l'aspiration et du refoulement. Un procédé connu pour ce faire est d'utiliser une partie du flux refoulé qui est préalablement refroidi par le passage dans un réfrigérant. L'injection est faite par des orifices effectués dans la paroi du stator de la pompe. Un exemple de ce procédé est donné, dans le cas de pompes du type Roots par les brevets français 951 230 et 2 642 479 et par le document européen 0 272 767. Un tel procédé évite l'échauffement de la machine et présente ainsi l'avantage de reculer sensiblement les limites thermiques citées ci-dessus des machines volumétriques utilisées en pompes à vide. Il est commun de parler de "pré-admission" pour désigner ce procédé. Cependant, ce procédé est très bruyant, car l'écoulement du fluide injecté est le plus souvent sonique voire supersonique, et toujours à caractère pulsatoire. En effet, à chaque injection, c'est-à-dire chaque fois qu'un rotor découvre un orifice d'injection, les différentes lignes de courant convergent de l'extérieur vers l'entrée de l'orifice. Dans la traversée de la paroi, le développement de la couche limite se traduit par une apparente contraction de veine et donc, le régime dans cette zone étant subsonique, par une accélération de l'écoulement. Lorsque l'on atteint l'état sonique, les lignes de courant commencent à diverger constituant ainsi un minimum apparent de section col sonique. A l'aval, l'écoulement s'accélère pour devenir supersonique jusqu'à atteindre une onde de recompression très instable et surtout génératrice de bruit et de vibrations. Cette onde de recompression se complète en effet d'une série importante d'ondes incidentes et réfléchies sur les parois de la machine. La présente invention a pour but de pallier ces inconvénients, et a pour objet une pompe à vide sèche rotative, volumétrique sans frottement, dans laquelle un flux gazeux, à une pression voisine de celle du refoulement et à une température inférieure à la température du gaz au refoulement de la pompe, est injecté cycliquement à l'intérieur du stator de la machine dans des volumes de transfert pendant les phases du cycle où ces volumes sont isolés à la fois de l'aspiration et du refoulement, caractérisée en ce que ladite injection de flux gazeux est réalisée dans le stator de la pompe à travers des zones en matériau poreux. On va maintenant donner la description d'un exemple de mise en oeuvre de l'invention, dans le cas d'une machine du type Roots, en se référant au dessin annexé dans lequel La figure 1 est une vue schématique en coupe transversale d'une pompe à vide selon l'invention, du type Roots. La figure 2 est une vue schématique montrant, selon une variante, une pompe à vide selon l'invention. Les figures 3 et 4 montrent une variante, correspondant respectivement aux figures 1 et 2, dans laquelle la zone d'injection a une forme triangulaire ou profilée. En se reportant à la figure 1, on voit une pompe à vide du type Roots comportant un stator 1 et deux rotors 2 et 3. Le stator comporte une entrée d'aspiration 4 et une sortie de refoulement 5. La pompe est du type à pré-admission, c'est-à-dire qu'un gaz de refroidissement G, à une pression voisine de la pression du gaz de refoulement de la pompe et à une température inférieure à la température des gaz de refoulement, est injecté cycliquement, (quatre fois par rotation complète des rotors : une fois sur chaque face 6, 7, 8 et 9 des rotors 2 et 3) à l'intérieur du stator 1 de la pompe dans des volumes de transfert 10 et li (11 du côté du rotor 3, lorsque les rotors auront tourné de 90 , voir position en trait discontinu fin) pendant les phases du cycle où ces volumes 10 et 11 sont isolés à la fois de l'aspiration et du refoulement (cas du volume 10 pour la position en trait fort des rotors, et cas du volume 11 pour la position en trait discontinu fin). Selon l'invention, cette injection du flux gazeux de refroidissement est réalisée à travers des zones 12 et 13 en matériau poreux. Il peut s'agir d'un plastique poreux, d'un métal fritté ou un matériau fibreux quelconque. Selon une disposition connue, le flux gazeux peut provenir d'un prélèvement sur le flux de refoulement de la pompe après passage sur un réfrigérant. Des brides d'entrée 14 et 15 permettent le raccordement des conduites d'amenée du flux gazeux de refroidissement. Ainsi, contrairement aux dispositions antérieures connues, pour lesquelles l'écoulement pulsé arrive à grande vitesse par des orifices; selon l'invention, l'écoulement est ici réparti à travers un milieu poreux 12, 13 qui occasionne des détentes successives multiples comparables à celles que l'on obtient dans un labyrinthe multi-étagé. Il n'y a donc plus de détentes supersoniques, ce qui diminue beaucoup le niveau sonore et les vibrations, mais une série de détentes subsoniques. Bien entendu, comme la vitesse moyenne d'écoulement est réduite par rapport à l'art antérieur, afin de conserver le débit nécessaire du flux gazeux de refroidissement, la surface frontale des zones 12, 13 d'injection est augmentée par rapport aux orifices simples de l'art antérieur. Comme c'est le cas représenté sur la figure 1, ces zones 12 et 13 sont situées de telle sorte que l'injection soit radiale, c'est-à-dire sur les parois courbes 16 et 17 qui enveloppent les rotors. Elles peuvent également être situées, comme on le voit sur la figure 2, de telle sorte que l'injection soit axiale, c'est-à-dire sur une paroi perpendiculaire 20 aux axes 18 et 19 des rotors. Dans ce cas, bien que le moment du cycle auquel l'injection a lieu soit le même, la composante principale du vecteur vitesse de l'écoulement est parallèle à l'axe de rotation. Dans les deux cas ci-dessus, les zones d'injection sont circulaires, mais il est possible de profiler ces zones d'injection de telle façon que la mise en communication soit encore plus progressive. Les figures 3 et 4 montrent un exemple dans lequel les zones 12 et 13 d'injection sont de forme triangulaire, respectivement dans le cas d'une injection radiale figure 3, et d'une injection axiale figure 4. On a donné un exemple de réalisation dans le cas d'une machine de type Roots, mais l'invention s'applique également aux machines à double vis ou à griffes. REVENDICATIONS 1/ Pompe à vide sèche rotative, volumétrique sans frottement dans laquelle un flux gazeux G, à une pression voisine de celle du refoulement et à une température inférieure à la température du gaz au refoulement de la pompe, est injecté cycliquement à l'intérieur du stator (1) de la machine dans des volumes de transfert (10, 11) pendant les phases du cycle où ces volumes sont isolés à la fois de l'aspiration (4) et du refoulement (5), caractérisée en ce que ladite injection de flux gazeux est réalisée dans le stator de la pompe à travers des zones (12, 13) en matériau poreux. 2/ Pompe à vide selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit matériau poreux est un plastique. 3/ Pompe à vide selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit matériau poreux est un métal fritté. 4/ Pompe à vide selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que lesdites zones (12, 13) sont situées de telle sorte que l'injection soit radiale, c'est-à-dire sur les parois courbes (16, 17) qui enveloppent les rotors. 5/ Pompe à vide selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que lesdites zones (12, 13) sont situées de telle sorte que l'injection soit axiale, c'est-à-dire sur une paroi (20) perpendiculaire aux axes des rotors. 6/ Pompe à vide selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que lesdites zones (12, 13) sont triangulaires. 7/ Pompe à vide selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que lesdites zones (12, 13) sont circulaires.