Brevet FR2723987A1 — publié le 19960301

POMPE A VIDE CRYOMECANIQUE DESCRIPTION L'invention concerne une pompe à vide cryomécanique pour gros débits de gaz. Une telle situation, où une grande quantité de gaz doit sans cesse être extraite à basse pression, est rencontrée dans les réacteurs de fusion nucléaire où les réactions productrices d'énergie libèrent un débit d'environ 0,1 ou 0,2 g à la seconde d'hydrogène, de deutérium, de tritium et d'hélium en particulier en proportion variable, ce qui correspond à près d'un million de litres à la seconde aux températures ordinaires et à basse pression (de l'ordre de 10-3 millibar) pour ces gaz légers. Les pompes à vide mécaniques classiques ne sont guère envisageables dans ces conditions, à moins peut-être de disposer une série de pompes de grande taille en se résignant à un coût considérable. Une autre possibilité bien connue est de recourir à des pompes statiques où les gaz préalablement condensés sont adsorbés sur une surface spéciale, mais ces pompes n'ont pas une capacité suffisante pour les débits envisagés ici et seraient saturées après quelques minutes. De plus, elles ne permettent pas d'accumuler d'importantes quantités d'isotopes radioactif tels que le tritium. L'idée à la source de l'invention est d'adapter les pompes mécaniques classiques en les faisant opérer à une très basse température pour concentrer les gaz, accroître leur densité et leur permettre ainsi d'être pompés à beaucoup plus gros débit, ce qui permet de n'utiliser que de petites pompes. On verra que certaines modifications de la construction des pompes doivent alors être entreprises, mais qu'elles sont possibles sans difficultés excessives. L'invention consiste donc sous sa définition la plus générale en une pompe à vide pour gaz comprenant un stator entourant un rotor, et qui est entourée par une enceinte isolante thermique englobant aussi un réfrigérateur relié au stator de la pompe pour en extraire de la chaleur. Les gaz chauds parvenant à la pompe sont refroidis immédiatement par un échange de chaleur vers le stator, qui fait donc office de source froide. Ce procédé est plus efficace si la machine est complétée par un échangeur de chaleur également relié au réfrigérateur, et situé en amont du rotor et du stator, que le gaz traverse avant d'entrer dans la pompe. Un tel échangeur peut être un panneau formé de lamelles inclinées, de conception particulièrement simple. La pompe peut être une pompe turbomoléculaire ou à entraînement visqueux selon les applications, ou encore elle peut être composite et comprendre une pompe turbomoléculaire en amont et une pompe à entraînement visqueux en aval. On va maintenant décrire l'invention plus en détail à l'aide des figures 1 à 3, qui décrivent trois réalisation de l'invention avec respectivement une pompe turbomoléculaire, une pompe à vis et une pompe composite. La pompe de la figure 1 est une pompe turbomoléculaire adaptée au pompage de gaz légers à des pressions inférieures à environ 10-3 mbar, c'est-à-dire dans les régimes d'écoulements moléculaires ou intermédiaires. Un rotor 1 est soutenu par une paire de paliers magnétiques 2 à ses extrémités et porte un ensemble d'aubes mobiles 3 répartis en plusieurs étages circulaires qui alternent avec des étages d'aubes fixes 4 reliés à un stator 9. Les aubes 3 et 4 ont des formes qui leur permettent de repousser par chocs successifs les molécules de gaz vers la droite de la figure jusqu'à traverser la pompe. On ne donnera pas de détails particuliers puisque des pompes turbomoléculaires sont déjà connues.Le stator 9 consiste en une paroi cylindrique qui entoure le rotor 1 et délimite la veine d'écoulement des gaz avec lui, déborde longitudinalement des extrémités du rotor 1 et porte les paliers magnétiques 2 ainsi qu'un moteur 5 d'entraînement du rotor 1 à 25000 tr/mm par exemple ; un arbre 6 relie le rotor 1 au moteur 5 et se prolonge des deux côtés, respectivement vers une butée 7 et un capteur de position axiale 8. La butée 7, située comme le moteur 5 en aval de la machine, est composée d'un disque ferromagnétique 30 au bout de l'arbre 6 et d'un solénoïde 10 lui faisant face, relié par des nervures 11 au stator 9 et alimenté par un dispositif de régulation 12 sensible au capteur de position axiale 8. L'arbre 6 porte un aimant permanent 13 à son extrémité amont, qui pénètre partiellement entre des détecteurs à induction 31 qui composent le capteur de position axiale 8 avec cet aimant permanent 13. Comme il est bien connu, le signal délivré par les détecteurs à induction 31 devient plus important quand l'aimant permanent 13 pénètre plus entre eux en conséquence d'un déplacement axial du rotor 1 et de l'arbre 6, ce qui incite le régulateur 12 à modifier le courant du solénoïde 10 pour déplacer le disque ferromagnétique 30 et rétablir la position voulue. Les paliers magnétiques 2 comprennent des solénoïdes 14 reliés au stator 9 par des nervures 15 et disposées en cercle autour d'aimants permanents de paliers 16 des deux côtés du stator 1. Les solénoïdes 14 exercent des actions concourantes sur les aimants de paliers 16 et maintiennent le centrage de l'arbre 6. On a représenté des paliers actifs où les courants des solénoïdes sont commandés individuellement par un générateur de courant 17 avec l'espoir de supprimer plus complètement les perturbations de centrage de l'arbre 6 produites par un balourd, mais on pourra aussi employer des paliers magnétiques passifs où les solénoïdes 14 seront remplacés par des aimants permanents, semblables en polarité aux aimants de paliers 16, pour obtenir le même effet de centrage par des forces concourantes de répulsion. Quant au moteur 5, il peut s'agir d'une turbine à gaz ou, comme on le représente ici, d'un moteur électrique composé d'un noyau 18 fixé à la tige 6 et mû par une armature 19 électromagnétique reliés par d'autres nervures 20 au stator 9. Le stator 9 est muni à ses deux extrémités de brides de raccordement 21 et 22 pour y aboucher des canalisations d'arrivée et de sortie des gaz. Il constitue une partie d'une enceinte à vide dont il forme la paroi interne et que complète une paroi externe 24 qui se raccorde à lui. Le volume vide 23 annulaire délimité par le stator 9 et la paroi externe 24 est partiellement occupé par un réfrigérateur 25 relié par des liaisons thermiques 26 et 27 à un échangeur de chaleur 28 et à un point du stator 9 situé devant une zone plutôt vers l'amont du rotor 1. Le réfrigérateur 25 peut fonctionner selon un cycle de Gifford et Mac Mahon, ou de Stirling, avec une température de source froide de 15K à 20K. Dans cette réalisation où l'échangeur de chaleur 28 précède la pompe proprement dite dans l'écoulement des gaz, le refroidissement de ceux-ci est produit en amont de la machine avant qu'ils n'atteignent le rotor 1, ce qui permet de pomper du gaz tout de suite densifié. Le refroidissement du stator 9 à l'endroit des aubes 4 vers l'amont renforce le refroidissement et contribue à maintenir le gaz à basse température à travers tout le rotor 1. D'autres liaisons thermiques pourraient être ajoutées vers l'aval si on le désirait. L'échangeur de chaleur 28 est un panneau ou un volet formé de lamelles parallèles 29 suffisamment inclinées et proches pour qu'il présente une surface aveugle, c'est-à-dire sans aucun jour, afin qu'aucune lumière ne puisse pénétrer dans la pompe à partir de l'amont, ce qui contrarierait le refroidissement du stator 9 et des gaz. Un autre avantage est que les impuretés condensables se déposent sur les lamelles 29 et ne parviennent donc pas à la pompe, qu'elles encrasseraient en se solidifiant. Voilà donc comment une pompe turbomécanique peut être modifiée pour être appliquée au contexte de l'invention. Le refroidissement doit être fait très vite, mais la faible masse pompée le permet. Les paliers magnétiques 2 remplacent les roulements ou d'autres paliers inutilisables aux basses températures. La figure 2 représente une machine analogue à la précédente, mais le rotor 1 est dépourvu d'aubes mobiles 3 et le stator, désormais référencé par 34, comprend un filet qui délimite une rainure hélicoïdale 35 à profondeur décroissante vers l'aval. Il s'agit d'une variété à vis de ce qu'on appelle une pompe à entraînement visqueux, où la vitesse moyenne du gaz est intermédiaire entre la vitesse du rotor 1, qui entraîne les gaz dans la rainure hélicoïdale 35, et la vitesse tangentielle nulle du stator 34. Une telle pompe est utilisable pour des pressions de gaz plus importantes que précédemment, c'està-dire pour des écoulements laminaires et intermédiaires. Le mode de réfrigération est semblable à celui de la réalisation précédente, à savoir formé des mêmes éléments et prépondérant en amont. Cette dernière caractéristique est importante ici pour assurer un bon fonctionnement, car il est préférable que le gaz soit nettement plus chaud en aval de la machine. En effet, on a vu que le débit de pompage était plus important si le gaz était dense, c'est-à-dire si la température était faible. Mais la diminution constante de section de la rainure hélicoïdale 35 produit une augmentation de pression en aval et un débit de retour de gaz vers l'amont, qui réduit l'efficacité du pompage et dépend essentiellement de la viscosité du gaz. Pour parler plus clairement, ce débit de retour est plus élevé si la viscosité est faible. Le gradient de température a précisément pour effet de rendre le gaz plus chaud et visqueux en aval pour combattre cette tendance au retour et obtenir la plus grande efficacité de pompage. C'est pourquoi il est si avantageux ici. Le gradient thermique est plus prononcé que dans la réalisation précédente en installant l'extrémité de la liaison thermique 27 plus en amont, c'est-à-dire tout à l'entrée de la zone de pompage, en face du début du rotor 1, alors que cette liaison aboutissait environ au tiers de la zone de pompage, à compter de l'amont, dans la réalisation précédente. Les considérations précédentes sur l'emploi des pompes justifient des solutions composites telles que celle de la figure 3, où le gaz est pompé successivement par une pompe turbomoléculaire et par une pompe à vis. On peut adopter une disposition en série en plaçant les pompes précédentes l'une après l'autre derrière l'échangeur de chaleur, mais on a représenté à la figure 3 un mode de réalisation un peu plus compliqué de pompe coudée et double dont le rotor, ici 40, comprend une partie centrale 41 lisse, et, des deux côtés, successivement une section de pompe turbomoléculaire 42 pourvue d'aubes et une section de pompe à vis 43 lisse. Le stator 44 est conçu en conséquence, avec des rainures hélocoïdales 35 devant les sections de pompe à vis 43 et des aubes fixes entre les aubes du rotor 40.Il est ouvert devant la partie centrale 41 selon un conduit d'arrivée 45, et le gaz est pompé perpendiculairement au rotor 40 avant d'être dévié et d'être rejeté aux deux bouts de celui-ci. L'échangeur de chaleur 28 existe ici aussi : il est placé à travers le conduit d'arrivée, et on retrouve encore le réfrigérateur 25, qui est placé dans le volume vide 47 sensiblement annulaire délimité par le stator 44 et une paroi extérieure 46 qui l'entoure en se joignant à lui à ses extrémités. Des liaisons thermiques 50 joignent le réfrigérateur 25 au stator 44, devant la partie centrale 41 et les sections de pompe turbomoléculaire 42 et à l'échangeur de chaleur 28.Dans cette conception, on peut mouvoir le rotor 40 par un moteur 51 ordinaire, et remplacer les paliers magnétiques par des roulements à billes 52 qui soutiennent les extrémités du rotor 40 sur celles du stator 44, loin du réfrigérateur 25. Le gaz est éjecté par des conduits de sortie 53 ouverts à travers le stator 44 près des paliers 52 et du moteur 51 et les flux gazeux peuvent être réunis sans difficulté pour un traitement ultérieur. Les paliers et moteurs peuvent d'une façon générale être "froids", c'est-à-dire prévus pour travailler à basse température, ou "chauds", utilisables à des températures plus élevées, mais il faut alors en général les isoler des parties froides de la machine par des supports isolants thermiquement ou sans contact matériel, magnétiques en particulier. Dans la réalisation de la figure 1 où une plus grande uniformité de température existe, on sera plus facilement contraint ou enclin à choisir un moteur froid que dans la réalisation de la figure 2, dont le gradient de température est un trait caractéristique, comme de la réalisation de la figure 3, mais tout dépendra des conditions concrètes d'exploitation. De même pour les paliers. Les paliers adjacents au moteur seront normalement de la même catégorie chaude ou "froide" que celui-ci, et les paliers proches de la source froide, c'est-à-dire des endroits de refroidissements, seront en principe froids. REVENDICATIONS 1. Pompe à vide pour gaz, comprenant un stator (9, 34, 44) entourant un rotor (1, 40), caractérisée en ce qu'elle est entourée par une enceinte isolante thermiquement (23, 47) englobant aussi un réfrigérateur (25) relié au stator de la pompe pour en extraire de la chaleur. 2. Pompe à vide suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend un échangeur de chaleur (28) relié au réfrigérateur (25), situé en amont du stator et du rotor, que le gaz traverse. 3. Pompe à vide suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur est un panneau aveugle formé de lamelles (29) inclinées. 4. Pompe à vide suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le réfrigérateur est relié au stator de sorte que le stator soit plus fortement refroidi en amont qu'en aval. 5. Pompe à vide suivant la revendication 4, caractérisée en ce que la pompe comprend une section de pompe à entraînement visqueux définie par une rainure hélicoïdale (35) s'amenuisant en section vers l'aval. 6. Pompe à vide suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la pompe comprend une section de pompe turbomoléculaire. 7. Pompe à vide suivant les revendications 5 et 6, caractérisée en ce que la section de pompe à entraînement visqueux est située en aval de la section de pompe turbomoléculaire. 8. Pompe à vide suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le rotor est soutenu au moins en amont par des paliers magnétiques (2).