Brevet FR2723986A1 — publié le 19960301

APPLICATION D'UNE POMPE VOLUMETRIQUE AU POMPAGE DE L'HELIUM GAZEUX A DES TEMPERATURES CRYOGENIQUES DESCRIPTION La présente invention se définit par l'application d'une pompe volumétrique au pcmpage de l'hélil-. gazeux à des températures cryogéniques. Dn entend par pompe volumétrique une pompe constituée principalement par une partie fixe et une partie mobile qui délimitent ensemble un volume de refoulement dans lequel le fluide est attiré et comprimé par une diminution de ce volume avant de sortir de la pompe. Il s'agit donc d'une compression presque statique, contrairement à celle des turbomachines o la pression provient d'une transformation d'une énergie cinétique, communiquée au gaz par des aubes, en énergie de pression. L'hélium est largement employé en cryogénie à cause de son point d'ébullition extrêmement bas, puisqu'on trouve encore l'hélium superfluide à 1,8 K. Ce résultat n'est obtenu cependant qu'à une basse pression, de l'ordre de 15 millibars. L'hélium évaporé doit être retiré de l'installation et renouvelé, à un débit qui peut atteindre plusieurs dizaines de grammes à la seconde. Le choix d'un procédé de pompage satisfaisant est problématique dans ces conditions. On a ainsi envisagé d'utiliser des pompes ordinaires, utilisables à des températures proches de l'ambiante, après des échangeurs de chaleur à travers lesquels les gaz peuvent se réchauffer, mais il est difficile de construire des échangeurs de chaleur sans des pertes de charges considérables par rapport à la pression de départ, et la densité du gaz pompé est alors très faible. On a encore proposé des pompes centrifuges travaillant à basse température, mais les caractéristiques d'emploi de ces pompes ne sont bonnes que pour un débit déterminé qui ne peut pas être maîtrisé dans l'application présente faute de pouvoir planifier ou prévoir rigidement les travaux menés dans l'installation et donc le débit d'évaporation de l'hélium. Selon l'invention, le gaz est pompé à basse température par une pompe volumétrique, dont la propriété essentielle ici est d'offrir un débit de pompage suffisant quel que soit le débit de gaz incident. Les pompes volumétriques envisagées ont comme caractéristique d'être adaptées au service à basse température. Les parties mobiles responsables du refoulement du gaz sont donc construites autant que possible avec du jeu dans la partie fixe de la pompe, et on choisit des réalisations o elles tournent au détriment des pompes à piston par exemple, o des frottements importants sont inévitables. D'autres aménagements des pompes volumétriques rendus nécessaires par l'application seront exposés ci-dessous. On va maintenant décrire l'invention plus en détail à l'aide des figures suivantes annexées à titre illustratif et non limitatif: * la figure 1 représente une première réalisation de l'invention, * les figures la et lb illustrent deux formes particulières de corps tournants, * la figure 2 représente une deuxième réalisation possible de l'invention, et * la figure 2a illustre les spirales de la figure 2. La pompe de la figure 1 comprend un boîtier extérieur 1 dans lequel on a établi un boîtier intérieur 2 pour y délimiter une cavité 3 de forme annulaire servant d'enceinte à vide. Le boîtier intérieur 2 est refroidi par un serpentin 4 de refroidissement qui s'étend plus précisément devant une chambre de pompage 5 inscrite dans le boîtier intérieur 2 pour y assurer une compression isotherme. La chambre de pompage 5 comprend un orifice d'entrée 6 et un orifice de sortie 7 opposés par lesquels le gaz entre et sort successivement. Le boîtier extérieur 1 est muni de brides 8 aux sorties de ces orifices, par lesquelles on peut fixer des conduites de racccrdement à i'installation d'hélium cryogène et à une station de rejet. Deux rotors, en principe de forme semblable 9 et 10, occupent la cavité de pompage 5 et sont mus par des arbres 11 et 12 dont une extrémité est soutenu par un palier magnétique 13 ou 14 dans la chambre de pompage et dont l'autre extrémité sort de la chambre de pompage 5 en traversant le boîtier intérieur 2 pour aboutir à un palier ordinaire (un roulement à billes 15 ou 16), à une roue dentée 17 ou 18 et, pour l'un d'entre eux (12), à un moteur 19. Le contenu de la chambre de pompage 5, exposé au froid de l'hélium pompé et du fluide du serpentin, doit résister à des températures très basses, mais il n'en va pas ainsi ailleurs, car les tubes 20 et 21 que le boîtier intérieur 2 forme aux endroits de passage des arbres 11 et 12, ainsi que les arbres 11 et 12 eux-mêmes à ces endroits, entre les rotors 9 et 10 et les roulements 15 et 16, sont en matière thermiquement isolante telle qu'en acier inoxydable, ce qui protège les éléments mécaniques à droite de la figure, hors de la chambre de pompage 5, du refroidissement. Cette conception permet d'utiliser des éléments mécaniques prévus pour des températures ambiantes hors de cette chambre, que ce soient les roulements à billes 15 et 16, les roues dentées 17 et 18 et le moteur 19. On peut cependant préférer laisser un des paliers de chaque paire dans la chambre de pompage 5 pour une meilleure stabilité, ce qui justifie les paliers magnétiques 13 et 14 qui peuvent être des paliers statiques ou actifs. On a représenté ici des paliers statiques, c une couronne d'aimants permanents 22 immobile et fixée au boîtier intérieur 2 repousse un autre aimant permanent 23, de même polarité et fixé au bout de l'arbre 11 ou 12, au centre de cette couronne. Des paliers actifs utiliseraient des solénoïdes agencés en couronne autour de l'aimant permanent 23, ces solénoïdes seraient commandés par un dispositif d'asservissement qu: y ferait passer un courant variable pour produire des forces différentes destinées à réduire ur.e excentricité de l'arbre 11 ou 12 qui serait due à un balourd. Les paliers de ces deux variétés sont connus et ne demandent pas de description plus complète. Le mouvement est créé par le moteur 19 et les roues dentées 17 et 18 qui forment un engrenage transmettant le mouvement à l'arbre 11. Les rotors 9 et peuvent être des rotors bilobés 9a et 10a comme on le représente à la figure la ou des rotors à bec 9b et 10b comme on le représente à la figure lb. Dans tous les cas, les rotors 9 et 10 isolent deux volumes dans la chambre de pompage 5 et les déplacent dans celle-ci de l'orifice d'entrée 6 à l'orifice de sortie 7 tout en les réduisant pour comprimer le gaz. Ces types de rotors sont d'ailleurs connus en eux-mêmes et caractérisent des pompe Roots et à bec. Dans l'invention, leur grand avantage est qu'ils ne supportent pas de partie frottante entre eux ou sur la paroi de la chambre de pompage 5, car des jeux sont admis. On s'accommode de fuites de gaz qui restent cependant faibles en pratique. On passe maintenant au commentaire de la figure 2. La pompe comprend un seul boîtier 24, divisé en une chambre de pompage 25 (froide) et une chambre de commande 26 (chaude) reliées entre elles par deux jonctions tubulaires 27 et 28 du boîtier 24 qui livrent passage à deux arbres de commande 29 et 30. Ici encore, les jonctions tubulaires 27 et 28 et les arbres de commande 29 et 30 sont thermiquement isolants pour ne pas tolérer de chaleur appréciable par conduction entre les chambres 25 et 26. Un orifice d'entrée de gaz 31 débouche dans la chambre de pompage 25 par la périphérie de celle-ci, et deux orifices de sortie 32 et 33, qu'il est possible de relier ensuite par des canalisations, aboutissent dans l'axe de la chambre de pompage 25. Les arbres de commande 29 et 30 portent un plateau 34 des deux faces duquel s'élèvent des spirales et 36. Ces spirales 35 et 36 sont mobiles dans des spirales fixes 37 et 38 reliées à des plateaux fixes 39 et 40 que les orifices de sortie 32 et 33 traversent au centre et qui sont refroidis par des serpentins 41 et 42 si on veut une compression isotherme. Les spirales 35 à 38 sont toutes semblables entre elles mais les spirales mobiles 35 et 36 sont décalées des spirales fixes 37 et 38 et accomplissent une trajectoire circulaire dans celles-ci. Il résulte de ce comportement que les spirales fixes et mobiles délimitent des volumes de refoulement 43 en demi-lunes (figure 2a) qui sont comprimés et déplacés vers le centre. Le gaz engouffré par l'orifice d'entrée 31 finit par se glisser dans les volumes de refoulement 43 en passant entre le plateau mobile 34 et les bords des spirales fixes 37 et 38 et progresse ainsi entre les spirales et les plateaux jusqu'aux orifices de sortie 32 et 33. Comme dans la réalisation précédente, les organes situés dans la chambre de commande 26 peuvent être des éléments prévus pour fonctionner à température normale. On trouve, associés à chacun des arbres de commande 29 et 30, un moteur 44, des roulements à billes et 46 pour soutenir l'arbre de sortie 47 du moteur 44, et un excentrique 48 à une extrémité de l'arbre de sortie 47, qui porte un dernier roulement à billes 49 dans lequel l'extrémité de l'arbre de commande 29 ou 30 est engagée. Les deux moteurs 44 sont synchronisés par un asservissement non représenté et dont la construction est évidente pour le spécialiste. En variante, on pourrait utiliser un seul moteur et les excentriques 48 seraient alors reliés entre eux. Dans tous les cas, les excentriques 48 assurent le déplacement circulaire des arbres de commande 29 et 30 et du plateau 34. On remarque que la disposition du plateau 34, soutenu par deux arbres en porte-à-faux, permet de ne pas recourir à des pallers magnétiques plongés dans la chambre de pompage 25. Une enceinte externe 50 entoure le boîtier 24 (sauf à l'endroit de la chambre de commande 26, qui en dépasse) pour délimiter une cavité sous vide 51 qui entoure la chambre de pompage 25 et garantit ainsi une bonne isolation de la machine. REVENDICATIONS 1. Application d'une pompe volumétrique, comprenant une partie fixe (23,37,38,39,40) et une partie mobile (9,10,35,36) tournant par rapport à la partie fixe pour délimiter avec elle un volume de refoulement, au pompage de l'hélium gazeux à des températures cryogéniques. 2. Application d'une pompe volumétrique suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la partie fixe et la partie mobile sont construites avec des jeux intermédiaires évitant tout frottement. 3. Application d'une pompe volumétrique suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la pompe est refroidie par un dispositif réfrigérateur (4, 41,42). 4. Application d'une pompe volumétrique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la partie mobile est soutenue au moins d'un côté par des paliers magnétiques (13,14). 5. Application d'une pompe volumétrique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la partie mobile est soutenue par un arbre moteur (12) passant à travers une paroi de séparation thermique (21) entre une région froide (5) occupée par la partie mobile et une région plus chaude occupée par un moteur (19) entraînant l'arbre moteur (12), la paroi de séparation thermique et l'arbre moteur, au moins entre les deux régions, étant en matière isolante thermiquement. 6. Application d'une pompe volumétrique suivant la revendication 5, caractérisée en ce que l'arbre moteur est soutenu par un palier (16) dans la région plus chaude. 7. Application d'une pompe volumétrique suivant le revendication 6, caractérisée en ce que l'arbre moteur n'est soutenu que par le palier (16) et est dépourvu de support dans la région froide. 8. Application d'une pompe volumétrique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la pompe est une pompe à spirales (36 à 38). 9. Application d'une pompe volumétrique suivant l'une quelccnque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la pompe est une pompe à deux parties mobiles (9, 1C) et roulant l'une devant l'autre dans la partie fixe (2X.