Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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Pompe à vide à cycle de translation circulaire à plusieurs arbres
La présente invention concerne une pompe à vide à cycle de translation
circulaire à plusieurs arbres.
Une pompe de ce type comporte généralement un corps fixe avec un
disque fixe présentant sur l'une de ses faces une saillie en forme de spirale
ainsi
qu'un disque mobile, faisant face au disque fixe et présentant du côté du
disque
fixe une saillie correspondante en forme de spirale. Les deux spirales, une
fixe et
une mobile, sont de même amplitude angulaire et intercalées l'une dans
l'autre.
Un mécanisme permet d'entraîner le disque mobile dans un mouvement de
translation circulaire par rapport au disque fixe. La liaison entre le disque
mobile et
le corps fixe de la pompe est assurée par plusieurs arbres, le plus souvent
trois.
Une telle pompe est par exemple décrite dans le document
FR-A-2 141 402. Comme indiqué dans ce document, une telle pompe peut être
une pompe intégralement sèche et étanche. Elle donne d'excellents résultats
mais
présente l'inconvénient de comporter de nombreuses pièces et d'être
encombrante. On remarque également que la pompe décrite dans ce document
utilise un liquide de refroidissement pour refroidir les pièces.
La présente invention a alors pour but de fournir une nouvelle pompe à
vide, sèche, étanche et propre (c'est-à-dire sans risque de pollution du
fluide
pompé), de structure simple et qui soit également compacte. De préférence,
cette
pompe permettra de rejeter à la pression atmosphérique le fluide gazeux aspiré
pour créer le vide à la pression atmosphérique. En outre, la maintenance de
cette
nouvelle pompe sera facilitée par rapport aux pompes de l'art antérieur
connues.
A cet effet, l'invention propose une pompe à vide à cycle de translation
circulaire comportant :
- un disque fixe solidaire d'un corps fixe et présentant sur l'une de ses
faces une saillie en forme de spirale,
- un disque mobile faisant face au disque fixe et présentant du côté du
disque fixe une saillie en forme de spirale intercalée avec la saillie en
forme de
spirale du disque fixe,
- une liaison entre le corps fixe et le disque mobile, cette liaison
présentant au moins deux manivelles, chaque manivelle comportant deux arbres
parallèles mais décalés d'une même excentricité,
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- des moyens moteur pour entraîner le disque mobile dans un
mouvement de translation circulaire par rapport au disque fixe.
Selon l'invention, les moyens moteur comportent un moteur présentant
un arbre de sortie parallèle aux axes.des disques fixe et mobile ; l'arbre de
sortie
du moteur est sensiblement centré sur l'axe du disque mobile et entraîne celui-
ci à
l'aide d'une pièce d'accouplement présentant une excentricité correspondant à
l'excentricité des manivelles ; les deux saillies en forme de spirale sont
sans
contact l'une avec l'autre et présentent un jeu axial maîtrisé par le montage
des
manivelles, et les efforts axiaux exercés sur la pompe sont repris
essentiellement
au niveau des manivelles.
Cette nouvelle structure d'une pompe à vide à plusieurs arbres est très
intéressante car elle permet d'avoir une meilleure répartition des efforts au
sein de
la pompe, notamment au niveau des divers paliers de roulement. Une telle pompe
est propre car un fluide gazeux pompé traversant la pompe ne vient au contact
d'aucune pièce d'usure telle un joint ou similaire.
Dans une forme de réalisation préférée d'une pompe à vide selon
l'invention, le moteur est fixé sur une platine parallèle au disque mobile, et
cette
platine présente des logements pour un arbre de chaque manivelle. De cette
manière, la platine est disposée au c ur de la pompe et porte à la fois le
moteur
et le disque mobile. Ceci permet d'une part de simplifier la structure de la
pompe
et d'autre part de la rendre plus compacte. Dans cette forme de réalisation,
la
platine forme par exemple le fond d'un tube cylindrique dans lequel est logé
le
moteur. Le corps fixe comporte alors par exemple un carter extérieur reliant
le
tube cylindrique au disque fixe.
Dans u-ne pompe à vide selon l'invention, un soufflet métallique peut
être utilisé pour relier de manière étanche la périphérie du disque mobile au
corps
fixe de la pompe à vide. Un tel soufflet permet d'assurer une étanchéité entre
une
pièce mobile en translation (circulaire) et un corps fixe. Dans le cas où la
pompe à
vide comporte un tube cylindrique, le soufflet métallique entoure alors de
préférence le tube cylindrique. De cette manière, le soufflet peut être de
relativement grande taille et les contraintes exercées sur celui-ci sont de ce
fait
moindres que pour un soufflet de taille réduite.
De manière avantageuse, l'invention prévoit qu'un deuxième soufflet
métallique, monté également de manière étanche entre la périphérie du disque
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mobile et le corps fixe, vient entourer le premier soufflet métallique. On
obtient de
la sorte un espace entre les deux soufflets métalliques. En surveillant la
pression
régnant dans cet espace, il est possible de détecter immédiatement une
défaillance de l'un des soufflets. De la sorte, il est possible d'assurer une
parfaite
maîtrise de l'étanchéité de la pompe.
Dans la forme de réalisation dans laquelle la pompe à vide comporte un
tube cylindrique, on peut prévoir que du côté opposé à la platine, le tube
cylindrique reçoit un ventilateur, et que des orifices sont prévus dans la
platine
pour permettre la ventilation du logement du moteur.
La pompe à vide peut également comporter des moyens de ventilation
pour refroidir la face du disque fixe opposée au disque mobile.
Lorsque la pompe est équipée de tels moyens de ventilation, il n'est pas
nécessaire de prévoir un circuit de liquide de refroidissement pour éviter une
surchauffe de la pompe en fonctionnement. Ceci permet d'éviter une source de
pollution éventuelle du fluide gazeux pompé par la pompe selon l'invention.
Pour un meilleur refroidissement encore des disques de la pompe, on
peut prévoir qu'au moins une saillie formant spirale sur un disque est évidée
à
proximité du coeur de la spirale.
Pour le refoulement du fluide gazeux pompé à la pression
atmosphérique, le disque fixe présente par exemple, sensiblement au centre de
la
spirale, un orifice de refoulement débouchant sur la face opposée à la
spirale, et
cet orifice de refoulement est éventuellement muni d'une soupape de
refoulement.
Pour favoriser le rejet à la pression atmosphérique du fluide pompé,
l'épaisseur des saillies formant spirale présente au niveau du coeur de la
spirale
une épaisseur croissante de manière à former une extrémité de spirale en forme
de bulbe.
Des détails et avantages de la présente invention ressortiront mieux de
la description qui suit, faite en référence aux dessins schématiques annexés
sur
lesquels :
La figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une pompe à vide
selon l'invention,
La figure 2 est une vue en coupe selon la ligne de coupe II-II de la
figure 1, et
La figure 3 est une vue en coupe selon la ligne de coupe III-III de la
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figure 1.
On reconnaît sur la figure 1 une pompe à vide à cycle de translation
circulaire. Cette pompe comprend notamment un corps fixe 2, un disque mobile 4
et un moteur 6.
Dans la forme de réalisation préférentielle représentée sur la figure 1, le
corps fixe 2 est constitué essentiellement de trois éléments : un disque fixe
8, un
carter 10 et un tube cylindrique 12.
Le disque fixe 8 présente sur sa face intérieure une saillie en forme de
spirale 14. La forme de cette dernière est visible sur la figure 2. Le disque
mobile 4
fait face au disque fixe 8. Sur sa face orientée vers le disque fixe 8, le
disque
mobile présente lui aussi une saillie en forme de spirale 16. La spirale 16 du
disque mobile 4 est imbriquée avec la spirale 14 du disque fixe 8, comme on
peut
le voir également sur la figure 2 (pour simplifier la vue, la figure 3 ne
représente
pas la spirale 14 fixe, ni le carter 10). Les spirales 14 et 16 sont séparées
l'une de
l'autre par un jeu axial constant, quelle que soit la position du disque
mobile 4 par
rapport au disque fixe 8. Ce jeu est par exemple de l'ordre de 5/1 00ème de
mm. On
retrouve également un jeu radial entre les spirales. Ce jeu radial est du même
ordre de grandeur que le jeu axial (environ 0,05 mm).
Le disque mobile 4 est supporté par le corps fixe 2 par l'intermédiaire
de trois manivelles 18 d'égale excentricité E et accouplées et agissant de
manière
synchronisée les unes avec les autres pour obtenir un mouvement de translation
circulaire du disque mobile 4 par rapport au corps fixe 2, et plus
particulièrement
son disque fixe 8, lors du fonctionnement de la pompe.
Les manivelles 18 relient le disque mobile 4 au disque fixe 8 de telle
sorte d'une part que le disque mobile 4 soit parfaitement guidé pour obtenir
une
maîtrise quasi parfaite du jeu axial au niveau des saillies en forme de
spirale 14,
16 et d'autre part que les efforts axiaux entre ces deux disques soient repris
au
niveau de ces manivelles. Le jeu axial dont il est question ici au niveau des
saillies
en forme de spirale 14, 16 indique qu'entre le sommet d'une spirale 14, 16 et
le
disque 4, 8 qui lui fait face se trouve un jeu 19 sensiblement constant (de
l'ordre
de 0,05 mm).
Le tube cylindrique 12 présente un fût d'axe longitudinal parallèle à
l'axe des disques fixe 8 et mobile 4 ainsi qu'un fond 20 transversal -et donc
situé
dans un plan parallèle à ceux des disques-. Ce fond 20 présente trois alésages
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22, chacun de ceux-ci recevant une manivelle 18. Chaque manivelle 18 comporte
un tourillon 24, un arbre inférieur 26 et un arbre supérieur 28. Le tourillon
24 est à
chaque fois disposé au niveau de l'interface entre le fond 20 et le disque
mobile 4.
L'arbre inférieur 26 de chaque manivelle 18 est logé avec des roulements
5 correspondants dans un alésage 22 du fond 20 tandis que les arbres
supérieurs
28 sont chacun logés avec des roulements correspondants dans des logements
prévus à cet effet dans le disque mobile 4. Les axes des arbres inférieurs 26
et
supérieurs 28 sont parallèles et décalés d'une distance correspondant à
l'excentricité E.
Chaque alésage 22 présente un épaulement contre lequel viennent
reposer des roulements à billes guidant l'arbre inférieur 26 d'une manivelle
18. Le
tourillon 24 vient reposer sur ces roulements à billes du côté opposé à
l'épaulement précité. Un montage similaire est réalisé au niveau des logements
prévus dans le disque mobile 4. Chacun de ces logements présente un
épaulement contre lequel viennent buter des roulements à billes recevant
l'arbre
supérieur 28 de la manivelle 18 et du côté opposé à cet épaulement, le
tourillon 24
vient reposer sur les roulements à billes. Ces roulements sont maintenus dans
leur logement, tant au niveau du disque mobile 4 que du fond 20, à l'aide
d'une
bague maintenue par des vis 29.
Ce type de montage correspond à une pompe à vide dans laquelle le
disque mobile 4 tend à se rapprocher axialement du disque fixe 8.
Le mouvement de translation circulaire du disque mobile 4 par rapport
au disque fixe 8 est commandé par le moteur 6. Ce dernier est disposé à
l'intérieur
du tube cylindrique 12 et est fixé sur le fond 20 de celui-ci. Dans la forme
de
réalisation préférée de l'invention représentée aux dessins, l'arbre de sortie
30 du
moteur 6 est relié au disque mobile 4 par une pièce d'accouplement 32. Cette
dernière présente ici la forme d'un manchon comportant deux logements
cylindriques circulaires, l'un dans le prolongement de l'autre et décalés
d'une
valeur correspondant à l'excentricité E. Le logement cylindrique se trouvant
du
côté du moteur reçoit l'arbre de sortie 30 du moteur tandis que le logement
cylindrique se trouvant du côté du disque mobile 4 reçoit un maneton 34
faisant
saillie de la face du disque mobile 4 opposée à la spirale 16 ainsi qu'un
roulement
à aiguilles. Dans cette forme de réalisation représentée sur les figures, le
maneton
34 est centré par rapport au disque mobile 4. Le roulement à aiguilles reprend
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essentiellement des efforts radiaux au niveau de l'arbre moteur. On remarque
sur
la figure un roulement à billes à proximité de l'arbre de sortie 30. Ce
roulement a
uniquement pour but de retenir l'arbre moteur lorsque le moteur est démonté
pour
être entretenu, réparé, ou changé.
On remarque sur les figures 1 et 3 la présence d'une masse
d'équilibrage 36 autour de la pièce d'accouplement 32 au niveau du maneton 34.
Cette masse est calculée et positionnée de manière à réaliser un équilibrage
dynamique de la pompe lors du fonctionnement de celle-ci.
Le carter 10 du corps fixe relie, dans la forme de réalisation visible sur
la figure 1, la périphérie du disque fixe 8 avec le bord libre du tube
cylindrique 12,
bord libre qui est opposé au fond 20.
On remarque aussi la présence de deux soufflets 38, 38' métalliques
sur la figure 1. Chacun de ces soufflets 38, 38' est monté de manière étanche
d'une part sur un bord périphérique du disque mobile 4 et d'autre part sur le
carter
10. La fixation des soufflets 38, 38' est par exemple réalisée par soudure.
Les deux soufflets 38, 38' entourent ainsi le tube cylindriquel2 (fixe) à
l'intérieur duquel se trouve le motéur 6, le soufflet 38' entourant le
soufflet 38. La
présence d'un seul soufflet est suffisante pour permettre un
bon_fonctionnement
de la pompe à vide selon l'invention. Le deuxième soufflet est prévu ici pour
des
raisons de sécurité. Un capteur de pression relié à l'espace libre entre les
deux
soufflets permet de détecter immédiatement la moindre fuite au niveau de l'un
des
soufflets, l'autre soufflet assurant encore l'étanchéité de la pompe.
Les soufflets 38, 38' métalliques sont utilisés pour réaliser une
étanchéité intégrale de la pompe. Ils sont protégés contre tout effet de
torsion du
fait de la cinématique du système d'entraînement. Pour limiter les contraintes
exercés sur ces soufflets, ceux-ci s'étendent sur quasiment toute la hauteur
de la
pompe, comme on peut le voir sur la figure 1. Des soufflets (ou un seul
soufflet) de
longueur moindre, pourraient également convenir.
Le carter 10 comporte une ouverture d'admission 42 qui permet de
réaliser, dans l'exemple représenté, une admission radiale de fluide gazeux, à
proximité des disques fixe 8 et mobile 4. Une enceinte à vider (non
représentée
sur les dessins) est raccordée à la pompe (par des moyens non représentés) à
l'ouverture d'admission 42. Dès la mise en service de la pompe, le fluide
gazeux à
pomper est soumis à l'effet continu et progressif de compression obtenu grâce
au
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mouvement relatif entre les deux spirales 14 et 16. De manière connue (cf. par
exemple FR-2 141 402) le fluide gazeux se trouvant dans l'espace entre le
soufflet
38' extérieur et le carter 10 est entraîné vers un orifice de refoulement 44
se
trouvant au centre de la spirale 14 du disque fixe 8. Cet orifice de
refoulement 44
est muni d'une soupape 46 permettant le rejet du fluide gazeux à la pression
atmosphérique.
Lors de ce fonctionnement, les spirales ont tendance à s'échauffer. Un
premier groupe de ventilation 48, représenté très schématiquement sur la
figure 1,
est disposé sur la face du disque fixe 8 opposée à la face portant la spirale
14.
Une flèche 50 représente un exemple de mouvement d'air permettant la
ventilation
du disque fixe 8.
Un second groupe de ventilation 52 est disposé dans le tube cylindrique
12 pour assurer le refroidissement du moteur 6 et du disque mobile 4. Ce
second
groupe de ventilation 52, très schématiquement représenté, aspire de l'air à
l'extérieur de la pompe pour le faire cheminer à l'intérieur de celle-ci selon
un
chemin illustré à titre d'exemple par des flèches 54. Pour permettre un tel
passage
d'air, des orifices sont prévus d'une part dans le fond 20 du tube cylindrique
et
d'autre part dans le corps fixe 2 de manière à permettre à de l'air extérieur
de
pénétrer entre la surface extérieure du tube cylindrique 12 et l'intérieur du
soufflet
intérieur 38.
Pour favoriser encore le refroidissement des disques fixe 8 et mobile 4,
un évidement 56 est réalisé dans chacune des spirales 14 et 16, comme on peut
le remarquer sur les dessins. Les spirales 14 et 16 présentent chacune à leur
extrémité se trouvant sensiblement au centre du disque correspondant la forme
d'un bulbe 57 dû à l'élargissement de la saillie formant la spirale
correspondante
vers le centre du disque. Ainsi, l'air mis en mouvement par les groupes de
ventilation peut pénétrer dans les évidements 56 et réaliser de la sorte un
meilleur
refroidissement des spirales 14 et 16 et donc des disques 8 et 4
correspondants.
La pompe à vide décrite ci-dessus est une pompe à vide intégralement
sèche, qui fonctionne sans huile ni liquide de refroidissement. Cette pompe
est
aussi entièrement étanche avec, grâce notamment aux deux soufflets, une
maîtrise parfaite de cette étanchéité.
La pompe décrite ici est une pompe dite propre. Le fluide pompé ne
rencontre aucune pièce d'usure Qoints, etc... ) depuis l'ouverture d'admission
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jusqu'à sa sortie par l'orifice de refoulement 44. La maîtrise du jeu axial
entre les
saillies en forme de spirale 14, 16 permet de supprimer les joints que l'on
trouve
habituellement entre chaque spirale et le disque faisant face à ladite
spirale.
L'absence de pièces d'usure tout au long du parcours du fluide pompé permet de
préserver celui-ci de toute pollution.
Une pompe telle celle décrite ci-dessus peut être utilisée pour des
débits relativement faibles. A titre d'exemple non limitatif mais uniquement
illustratif, une telle pompe peut présenter par exemple un volume engendré de
l'ordre de 30 m3/h.
Une pompe à vide selon l'invention peut trouver des applications par
exemple dans le domaine du nucléaire, dans la fabrication de composants
électroniques, dans l'industrie pharmaceutique, alimentaire, etc... Cette
liste
d'applications est bien entendu non exhaustive. Ce type de pompe peut être
utilisé
partout où une grande attention est nécessaire pour éviter toute pollution
d'un
fluide transporté.
Alors que pour les pompes de tailles équivalentes de l'art antérieur il est
nécessaire habituellement de prévoir un accouplement à une pompe primaire, la
pompe décrite peut refouler directement à la pression atmosphérique. Ce rejet
direct à la pression atmosphérique peut être réalisé ici notamment grâce à la
présence d'une soupape 46 à la sortie mais aussi à la forme de bulbe 57 aux
extrémités des spirales. La bonne ventilation de la pompe favorisée aussi par
les
évidements 56 réalisés au niveau desdits bulbes, est également un élément
important pour permettre un tel rejet. En effet, compte tenu de la variation
de
pression, l'échauffement dans la pompe est relativement important et un
refroidissement adapté doit être prévu.
La structure de la pompe décrite est simple, même si elle comporte
quatre arbres. De plus, elle permet d'avoir une pompe compacte. En outre, la
maintenance de cette pompe est simplifiée. Le nombre de joints et de pièces
d'usure est très limité.
Un avantage important de la structure présentée ci-dessus avec un
arbre moteur central et des arbres périphériques est la reprise des efforts
radiaux.
Ceux-ci sont encaissés essentiellement par le roulement à aiguilles décrit. La
charge des roulements au niveau des arbres périphériques est limitée et permet
l'utilisation de roulements à raideur axiale supérieure par rapport aux
roulements
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utilisés avec les pompes comparables de l'art antérieur.
La présente invention ne se limite pas à la forme de réalisation
préférentielle décrite ci-dessus à titre d'exemple non limitatif. Elle
concerne
également toutes les variantes de réalisation à la portée de l'homme du métier
dans le cadre des revendications ci-après.
Ainsi par exemple, le nombre d'arbres (manivelles) peut être modifié
sans sortir pour autant du cadre de l'invention. D'autres modifications,
concernant
par exemple la forme du corps fixe, le refroidissement des pièces (même
éventuellement avec un liquide de refroidissement), le montage du moteur, les
soufflets, etc. peuvent également être apportées sans sortir du cadre de
l'invention.
