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Pompe à vide à spirales
La présente invention concerne une pompe à vide à spirales,
notamment les moyens permettant d'assurer une certaine étanchéité entre la
partie mobile et la partie fixe de la pompe.
s Les pompes à vide à spirales sont généralement connues de la
technique. Elle sont constituées notamment d'une portion d'enveloppe fixe
supportant au moins une première paroi en forme de spirale, et d'une portion
mobile, supportant au moins une deuxième paroi en forme de spirale, en
déplacement selon un mouvement orbital à l'intérieur de ladite portion
io d'enveloppe. Les deux spirales étant imbriquées l'une dans l'autre, le
mouvement orbital de la spirale montée sur la portion mobile relativement à la
spirale montée sur la portion d'enveloppe fixe crée un changement de forme et
un déplacement, le long desdites spirales, d'une pluralité de chambres de
transfert, chacune limitée par une portion de paroi de la portion d'enveloppe
is fixe, de la portion mobile ainsi que des deux spirales. Considérant une
chambre de transfert, son déplacement amène ainsi une quantité de gaz ou
d'air introduite dans ladite chambre lorsque celle-ci se trouve à une
extrémité
desdites spirales vers l'autre extrémité desdites spirales où ladite quantité
de
gaz ou d'air peut s'échapper. Dans le cas où le gaz ou l'air est introduit
depuis
20 l'extérieur des spirales pour être extrait vers l'intérieur des spirales,
on a une
diminution du volume de la chambre de transfert entre ces deux points,
respectivement une augmentation de la pression du gaz ou de l'air.
L'avantage de telles pompes est qu'elles peuvent travailler
complètement à sec, c'est-à-dire qu'aucun lubrifiant n'entre en contact avec
le
2s gaz ou l'air pompé qui ne peut donc être contaminé, faisant qu'elles sont
particulièrement adaptées pour des laboratoires, l'industrie chimique,
l'industrie
de l'alimentation, etc.
Un problème important des pompes connues consiste à assurer
l'étanchéité de la chambre de transfert, entre l'arête de la spirale fixe et
la
3o portion de paroi de la portion mobile qui lui fait face ainsi qu'entre
l'arête de la
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spirale mobile et la portion de paroi de la portion d'enveloppe fixe qui lui
fait
face, respectivement entre les chambres de transfert.
Une manière connue de résoudre ce problème consiste à permettre
un léger mouvement axial de la portion mobile sur son axe, et d'assurer
s l'étanchéité de la chambre de transfert en disposant un joint disposé dans
une
rainure courant le long des arêtes des spirales, lesdits joints venant en
contact
glissant contre les parois qui leur font face, amenant ainsi la portion mobile
selon un déplacement orbital à se centrer elle-même à l'intérieur de la
portion
d'enveloppe fixe. Vu le contact glissant mentionné, le joint doit être un
joint
io d'usure, c'est-à-dire relativement rigide, respectivement n'ayant que peu
d'élasticité. Afin de permettre l'adaptation dimensionnelle des joints pour
assurer l'étanchéité de la chambre de transfert, une première méthode consiste
à intercaler un joint souple entre le fond de la rainure et le joint d'usure;
l'adaptation dimensionnelle étant produite par le joint souple. Un
inconvénient
is majeur de cette solution provient de son coüt élevé. Une deuxième méthode
consiste à prévoir un canal de circulation d'air entre le fond de la rainure
et le
joint glissant, ce canal de circulation d'air ayant un orifice d'admission en
un
endroit de la spirale où l'air est à relativement haute pression. Un des
inconvénients de cette méthode provient des irrégularités d'effet entre divers
20 régimes de fonctionnement de ia pompe. D'autre part et de manière générale,
ces systèmes où les joints sont en contact glissant avec une paroi amènent à
une usure desdits joints, soit à un encrassement de la chambre de transfert et
la nécessité d'un changement fréquent de joints, ainsi qu'à un échauffement
des parois sur lesquelles glissent les joints. De plus, l'étanchéité n'est pas
2s garantie de la même manière entre des joints neufs et des joints usés,
amenant
à une dégradation des pertormances de la pompe en cours d'usage.
Un premier but de l'invention est donc de proposer une pompe à
vide à spirales ne rencontrant pas les inconvénients mentionnés des pompes
connues.
3o Pour ceci, la pompe proposée évite d'utiliser des joints en contact
glissant sur une paroi; au contraire un très léger jeu est laissé lors du
montage
de la pompe entre le joint et la paroi qui lui fait face. Cette première
disposition
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permet d'éviter de devoir installer un moyen élastique sous le joint. De plus,
afin d'éviter que contrairement à ce qui est désiré, le joint vienne
intempestivement en contact glissant avec la paroi, ia portion mobile est
montée sur son axe de manière à n'avoir aucun mouvement axial possible.
s Ainsi, tous les problèmes de frottement, d'usure et d'échauffement entre les
portions fixes et mobiles sont évités, tout en garantissant une étanchéité
suffisante de la chambre de transfert. Une deuxième forme d'exécution permet
de supprimer complètement les joints entre les portions fixes et mobiles.
Un autre problème relatif aux pompes à vide à spirales est le
io balourd créé par la portion mobile montée de manière excentrée relativement
à
l'axe d'entraînement, provoquant ainsi des vibrations lorsque la pompe à vide
est en fonctionnement. De manière connue, un ou plusieurs contrepoids
attenants à l'arbre d'entraînement permettent de réaliser un équilibrage
statique des masses en rotation. Dans le cas d'une pompe à vide dont la
is portion mobile comprend deux parois en spirale disposées chacune sur une
face d'une paroi centrale, un décalage de 180° entre les deux spirales
permet
déjà de diminuer sensiblement le déséquilibre des masses en rotation. Cette
disposition a en outre l'avantage de diminuer d'un facteur deux les pointes de
dépression de gaz ou d'air à l'entrée de la pompe, respectivement les pointes
2o de pression à la sortie de la pompe, tout en doublant leur fréquence.
Néanmoins, en fonctionnement, des vibrations provenant d'un manque
d'équilibrage dynamique peuvent agir sur la partie mobile et ne pas permettre
le maintien du jeu décrit précédemment entre le joint et la paroi qui lui fait
face.
Afin d'éviter ceci, la portion mobile de la pompe à vide est aussi équilibrée
2s dynamiquement.
Afin d'atteindre les buts fixés, il est proposé une pompe à vide à
spirales possédant les caractéristiques de la revendication principale, des
variantes ou formes d'exécution particulières étant décrites dans les
revendications dépendantes.
3o La description qui suit d'une forme d'exécution préférentielle d'une
pompe à vide à spirales selon l'invention est à considérer en regard du dessin
annexé comportant les figures où:
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la figure 1 représente une vue en coupe longitudinale d'une forme
d'exécution préférentielle d'une pompe à vide à spirales selon l'invention,
la figure 2 représente une vue en coupe transversale selon la ligne
II-II de la figure précédente,
s la figure 3A représente une portion en coupe agrandie d'un joint de
spirale,
la figure 3B représente la même portion du dispositif dans la forme
d'exécution sans joint, et
la figure 4 représente une vue en coupe agrandie selon la ligne IV-
io IV de la figure 2.
La figure 1 montre une forme d'exécution préférentielle d'une pompe
à vide à spirales 1 vue en coupe le long de son axe longitudinal. La pompe
représentée est composée d'une partie d'entraînement 10, dans le cas présent
un moteur électrique, d'une partie d'accouplement 11 ainsi que du corps de
is pompe 12, ces trois éléments étant reliés par une carcasse extérieure 13,
elle-
même montée sur un châssis 14. Le corps de pompe 12 comprend
essentiellement une portion fixe 2 et une portion mobile 3.
Dans cette forme d'exécution, la portion fixe 2 est composée de deux
demi-coquilles 20 et 21, fixées entre elles par des moyens de fixation comme
2o par exemple les vis 22, la demi-coquille 20 étant fixée à la carcasse 13,
respectivement au châssis 14, par d'autres moyens de fixation comme par
exemple les vis 23. Un joint d'étanchéité circulaire 24 assure l'étanchéité
entre
les deux demi-coquilles 20 et 21. Les parois de fond 25, respectivement 26,
des deux demi-coquilles 20 et 21 sont essentiellement planes selon un plan
2s perpendiculaire à l'axe 15 de la pompe et comprennent chacune une paroi en
spirale 27, respectivement 28, en saillie perpendiculairement auxdites parois
de fond 25 et 26, et s'étendant depuis une région proche de la partie de grand
diamètre de la paroi 25 ou 26 vers une région proche du centre de chacune
des mêmes parois.
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La portion mobile 3 est composée d'un disque central 30 supportant
sur chacune de ses faces opposées 31 et 32 une paroi en spirale 33,
respectivement 34, en saillie perpendiculairement auxdites faces 31 et 32, et
s'étendant depuis une région proche de la partie de grand diamètre de la face
s 31 ou 32 vers une région proche du centre de chacune des mêmes faces.
La figure 2 qui est une coupe selon la ligne II-II de la figure 1,
montre la demi-coquille 20 et la spirale 28 qui est attenante à la demi-
coquille
21, ainsi que le disque central 30 et la spirale 34 qui lui est attenante. On
voit
que les deux spirales 28 et 34 ont le même développement et sont imbriquées.
io Le disque 30 est monté en son centre sur une portion d'arbre 16
montée excentriquement à l'axe 15 de l'arbre d'entraînement 17 de la pompe
(voir figure 1 ); d'autre part, le disque 30 est guidé par des moyens de
guidage
à excentrique 4 (voir figure 2). Ainsi, le disque 30, respectivement
l'ensemble
de la portion mobile 3 a un mouvement orbital lors de la rotation de l'axe
is d'entraînement 17. Comme on le voit à la figure 2, ce mouvement orbital
entre
la spirale mobile 34 et la spirale fixe 28 crée un changement de forme, un
déplacement ainsi qu'une diminution de volume d'une chambre de transfert 50
disposée entre les parois des deux dites spirales, amenant à une admission et
une compression du gaz ou de l'air qu'elle contient. Comme indiqué
2o précédemment, une même disposition de spirales 27 et 33 est prévue de
l'autre côté du disque 30, pour ie même effet.
On comprend de ce qui précède qu'un point important du dispositif
consiste à assurer une étanchéité de la chambre de transfert lors du
mouvement orbital de la portion mobile 3. En se reportant à la figure 3A, on
voit
2s une portion agrandie d'une arëte de la spirale mobile 34 en regard de la
paroi
de fond 26 de la demi coquille 21. Le problème et la figure seraient
identiques
dans le cas de l'autre spirale mobile 33 ou des spirales fixes 27 ou 28 en
regard des parois qui leur font respectivement face.
Lors de son mouvement orbital, l'arête supérieure 34A de la spirale
30 34 balaye une portion de la surface 26. Selon cette forme d'exécution, la
spirale 34 comporte un joint 5 sur son arête supérieure 34A afin de séparer
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deux chambres de transfert 50 et 51 disposées de chaque côté de la spirale
34. Le joint 5 possède la même forme en spirale que la paroi en spirale qui le
supporte, étant fixé dans un logement en rainure 34B aménagé dans l'arête
34A. Vu que ce joint doit pouvoir glisser sur la paroi 26, il est généralement
s assez rigide et est peu compressible. Dans les pompes existantes à ce jour,
afin d'assurer l'étanchéité entre les chambres de transfert 50 et 51, des
moyens de pression étaient prévus sous le joint 5 afin de faire appuyer la
face
supérieure 52 dudit joint contre la paroi 26. Ces moyens de pression étaient
constitués soit d'un deuxième joint élastique disposé au fond du logement 34B,
io soit d'une chambre sous pression de gaz ou d'air aménagée dans le fond du
logement 34B. Comme indiqué précédemment, ces moyens amenaient à un
échauffement dû au frottement du joint contre la paroi, à une usure du joint
et
un encrassement des chambres de transfert.
La solution proposée ici tient compte du fait que deux chambres de
is transfert opposées sur une spirale, les deux chambres 50 et 51 dans
l'exemple
représenté, sont à des pressions relativement peu différentes entre elles sur
une portion de surface 26 donnée, respectivement pour une position angulaire
déterminée du mouvement orbital (voir figure 2). En effet, si la pression
absolue dans une chambre de transfert augmente régulièrement tors de son
2o passage depuis le début de la spirale vers le centre de celle-ci, la
différence de
pression entre deux chambres contiguës est relativement faible. Ainsi une
étanchéité absolue n'est pas nécessaire. Le dispositif comprend donc, selon
cette forme d'exécution, un joint 5, rigide ou semi-rigide, non déformable,
monté dans un logement en rainure 34B d'une arête 34A de la spirale 34.
2s L'ensemble du dispositif est monté de manière à laisser un jeu minime, de
l'ordre de 0 à 5 centièmes de mm entre ia face supérieure 52 du joint 5 et la
paroi 26. Ce jeu minime permet d'éviter les inconvénients mentionnés
précédemment, soit l'échauffement du joint contre la paroi, l'usure du joint
et
l'encrassement des chambres de transfert. Le joint 5 a été représenté ici
3o comme présentant une surface supérieure 52 plane; une telle disposition
n'est
pas absolument nécessaire, cette surface pourrait tout aussi être bombée ou
présenter une ligne d'arête en regard de la paroi qui lui fait face,
l'important
étant fe jeu minime mentionné qui doit exister entre la portion du joint la
plus
proche de la paroi qui lui fait face et ladite paroi.
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Selon une deuxième forme d'exécution représentée à la figure 3B, le
joint 5 a été supprimé et c'est directement l'arête supérieure 34A de la
spirale
34 qui est séparée de la paroi qui lui fait face par un jeu compris entre 0 et
5
centièmes de mm. Comme précédemment, il n'est pas essentiel que cette arête
s supérieure soit plane.
Afin de garantir ce jeu entre le joint 5, respectivement l'arête 34A et
la paroi qui lui fait face, des précautions particulières sont à prendre pour
le
montage de la portion mobile 3 relativement à la portion fixe 2. Tout d'abord,
afin de garantir un espacement déterminé entre les parois 25 et 26 des deux
io demi-coquilles 20 et 21, une cale circulaire 29 d'épaisseur déterminée peut
être disposée entre les deux demi-coquilles 20 et 21 (voir figure 1 ). De même
le mouvement axial de la portion mobile 3, respectivement du disque 30 portant
les spirales 33 et 34 peut être éliminé par des paliers à roulement sans jeu
19,
le calage du disque 30 sur la portée excentrée 16 étant aussi obtenu par des
is cales, disposées aux endroits adéquats comme par exemple les cales 19A.
Ainsi, le disque 30 portant les spirales 33 et 34 peut être exactement centré
dans l'espace situé entre les parois 25 et 26 des demi-coquilles 20 et 21,
laissant un jeu déterminé, de l'ordre de quelques centièmes de mm entre les
joints 5, respectivement les arêtes supérieures des parois en spirale, et les
2o parois 25 ou 26 qui leur font face.
La nécessité de conserver un jeu constant entre les joints ou les
arêtes des parois en spirale et les parois qui leur font face implique de
supprimer les vibrations causées par le mouvement orbital de la portion mobile
3 ainsi que par la rotation de toutes les pièces en rotation du dispositif,
c'est-à-
2s dire notamment le rotor du moteur ainsi que les moyens de ventilation. Pour
ceci des moyens d'équilibrage 6 sont prévus. Un premier moyen d'équilibrage
consiste à prévoir un ou plusieurs contrepoids 60 montés en rotation avec
l'axe
de rotation 15 de la portion mobile 3. Pour ceci, un premier disque de
fixation
61 est fixé sur l'extrémité de la portion d'arbre 18A proche de l'arbre
3o d'entraînement 17, et un deuxième disque de fixation 62 est fixé sur une
portion d'arbre 18, alignée sur l'axe 15 et disposée de l'autre côté de la
portion
excentrique 16, les contrepoids 60 étant fixés sur lesdits disques de fixation
61
et 62. On voit sur 1a figure 1 que pour un gain de place, les deux disques de
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fixation 61 et 62 sont juxtaposés avec des roues portant les moyens de
ventilation 63 de la pompe et du moteur, sans que cela soit absolument
nécessaire pour le fonctionnement de la pompe selon l'invention. La
détermination de la masse et de la position de chacun des contrepoids 60 se
s fait de manière connue pour un équilibrage statique afin de contrebalancer
le
balourd créé par la portion mobile 3 excentrée ainsi que d'autres balourds des
parties en rotation. Afin de diminuer ce balourd, un deuxième moyen
d'équilibrage consiste à décaler angulairement de 180° les spirales 27
et 33
relativement aux spirales 28 et 34. En se reportant à la figure 2, si on voit
que
io les ouvertures d'admission des spirales 28 et 34 sont situées
approximativement à 7h. selon un cadran horaire, les spirales 27 et 33
disposées de l'autre côté du disque 30 et non visibles sur la figure ont leurs
ouvertures d'admission situées approximativement à 1 h sur le même cadran
horaire. Une telle disposition diminue légèrement le balourd de la portion
is mobile 3. Un autre avantage d'une telle disposition étant qu'en mettant en
parallèle les entrées et les sorties de gaz ou d'air des spirales sur les
orifices
d'admission, respectivement de refoulement de la pompe, l'amplitude des
pulsations de pression de gaz ou d'air est diminuée de moitié alors que la
fréquence desdites pulsations est doublée. On a donc une aspiration,
2o respectivement un expulsion du gaz ou de l'air plus régulière.
Les deux moyens d'équilibrage mentionnés fournissent un
équilibrage statique de la portion mobile 3 de la pompe; afin de garantir que
les
jeux de quelques centièmes de mm sur les joints mentionnés plus haut soient
maintenus lors du fonctionnement de la pompe, on procède en outre à un
2s équilibrage dynamique de toute la partie en rotation du dispositif selon
une
technique connue d'équilibrage dynamique. On a représenté sur la figure 1 des
petites masses 64 et 65 disposées respectivement sur les moyens de
ventilation 63, qui ont été fixées lors de cette opération d'équilibrage
dynamique.
so II a été mentionné précédemment que le disque central 30 est guidé
par des moyens de guidage excentrique 4. En se reportant à la figure 2, on
voit
que le dispositif comprend ici trois moyens de guidage 4. Ces moyens de
guidage sont destinés à empêcher que le disque central 30 tourne avec la
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rotation de la portée excentrée 16, mais ait le mouvement orbital désiré. Pour
ceci, et comme on le voit à la figure 4, chaque moyen de guidage 4 est
constitué d'une première portion d'arbre 40, en rotation dans un logement 41
prévu dans la demi-coquille 20. Un maneton 42 est fixé à une extrémité de la
s première portion d'arbre 40, ledit maneton portant une deuxième portion
d'arbre 43 montée de manière excentrée relativement à la première portion
d'arbre 40. La valeur d'excentrage entre les portions d'arbre 43 et 40
correspond à la valeur d'excentrage entre l'arbre d'entraînement 17 et la
portée
excentrée 16. La deuxième portion d'arbre 43 est montée pivotante dans un
io logement 44 du disque central 30, un roulement à aiguilles 45 assurant ce
pivotement. Vu que le disque central 30 est guidé lors de son mouvement
orbital par la portée excentrée 16 ainsi que par les portions d'arbre 43, soit
en
plus de deux points, on pourrait avoir un blocage du mouvement orbital ou pour
le moins une forte usure des roulements dans le cas où les tolérances
is dimensionnelles de fabrication ne se compenseraient pas. Pour pallier à
ceci, il
est nécessaire de prévoir une possibilité d'adaptation de positionnement du
disque central 30 relativement aux moyens de guidage 4. A cet effet, la portée
d'arbre 43 comporte au moins une gorge 46 dans laquelle un joint élastique
torique de type O-Ring est disposé. De par l'élasticité du ou des joints 47,
le
2o positionnement de la cage centrale 48 du roulement 45, respectivement du
disque centrale 30 relativement à la portion d'arbre 43, respectivement à la
demi-coquille 20 s'adapte automatiquement. Le dispositif a été décrit muni de
trois moyens de guidage 4, un autre nombre de tels moyens ou d'autres
moyens pourraient être prévus afin d'empêcher la rotation du disque 30 et de
2s permettre le mouvement orbital décrit.
La forme d'exécution d'une pompe à vide à spirales décrite ici n'est
qu'une forme d'exécution préférentielle, dans laquelle les deux paires de
parois
en spirales 27,33 et 28,34 fonctionnent en parallèle, c'est-à-dire que les
deux
jeux de spirales sont identiques, étant seulement décalés de 180° comme
3o indiqué et que les chambres d'admission des deux jeux de spirales sont
reliées
ensemble sur l'orifice d'admission de la pompe alors que les deux chambres
d'expulsion des deux jeux de spirales sont aussi reliées ensemble sur
l'orifice
d'expulsion de la pompe. La figure 2 montre la chambre d'admission 53 et la
chambre d'expulsion 54 du jeu de spirales 28,34. Les moyens permettant de
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relier ensemble les chambres et de les connecter à leur orifice respectif sont
connus de la technique. D'autres formes d'exécution sont possibles, par
exemple une pompe à vide à deux étages, où la chambre d'expulsion d'un
premier jeu de spirales est reliée à la chambre d'admission du deuxième jeu de
s spirales; dans ce cas, les deux jeux de spirales ne sont pas identiques, le
deuxième jeu présentant un taux de compression plus élevé. On pourrait aussi
avoir un seul jeu de parois en spirale, la portion fixe étant constituée d'une
seule demi-coquille et le disque en mouvement orbital présentant un seul jeu
de paroi en spirale sur une seule de ses faces. D'autres dispositions
io constructives que celles décrites peuvent être prévues, tout en répondant
aux
caractéristiques des revendications.
