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PERFECT10NNEMENTBAUX POMPES A CONDENSATION
La présente invention a pour objet une méthode et un dispositif perfectionnés de pompage ,destinés en particulier ; à la production du vide au moyen d'un pompage par diffusion , par vaporisation régulière d'un alliage de métal fusible ayant une tension de vapeur inférieure à celle du mercure ,à la température atmosphérique , par la projection de la vapeur produite en un jet annulaire et par la condensation de la vapeur .
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Ladite méthode est caractérisée notamment en ce que l'alliage métallique constitue une pa.rtie d'un circuit électrique de chauffage , destiné à produire la vaporisation , et la pompe perfectionnée de l'invention permet de réaliser cette métboa.e au moyen du chauffage électrique par arc ou par résistance.
L'invention sera d'ailleurs bien comprise si on se reporte à la description qui suit et au dessin qui l'accompagne à titre d'exemple non limitatif de réalisation et dans lequel : la figure 1 est une coupe d'une pompe à diffusion fonctionnant avec un arc. la figure 2 est une coupe de parties inférieures d'une pompe à diffusion comportant un chauffage par résistance.
On a représenté sur le dessin des pompes à diffusion comprenant chacune une chambre de veporisation 11 , communiquant vers le haut avec un ajutage 13 , prévu pour projeter un jet annulairevers le bas , dans une chambre de condensation 15 annulaire , qui entoure la chambre de vaporisation 11.
La chambre 15 comporte des cavités communiquantes, formées respectivement à l'extrémité d'une partie 17 comprenant la. partie chauffante de la pompe , et dans une "tête" 19 comprenant le. partie où se produit le jet dans la pompe , l'ajutage 13 étant disposé à la partie supérieure de 19 , loin de la partie 17.
Cette dernière peut consister en un tube présentant une extrémité supérieure avec un rebord , et prévu pour être fixé à la tête 19, par exemple par des boulons . Une garniture de scellement 18 , de préférence en fer doux recouvert de cuivre , peut être utilisée pour former joint , le fer doux étant particulièrement bien adapté pour assurer un joint étanche entre la tête 19 et la partie 17, dans toute la gamme des températures de fonctionnement .
La tête 19 est composée d'un bloc d'acier comportant à l'intérieur une cavité qui constitue la partie supérieure de la chambre de condensation 15, cette cavité communiquant au-dessus de l'ajutage 13 avec une chambre de pompage 21 grâce à une ouverture 23 qui prolonge la chambre 15.
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Les parois de la chambre 21 peuvent être constituées de oute manière appropriée , comme, par exemple , par un cylindre en verre 25 , dont les rebords opposés annulaires forment joint verre-métal 27 avec un disque annulaire 29 , de préférence en acier, et comportant une ouverture centrale . Les bords de l'ouverture centrale de l'un des disques 29 est brasée , ou fixée de toute autre manière de façon à former joint , comme en 31, sur la partie supérieure de la tête 19 , autour de l'ouverture 23 .
L'ouverture centrale de l'autre disque est fixée de même en 33 à une extrémité d'une tête de pompage 35 comprenant , comme représenté, un élément en forme de coupe présentant une cavité 37 , en communication directe avec la chambre de pompage 1.
La tête de pompage 35 est réunie à une petite tubulure pour vide , comportant une partie cylindrique 39 , qui communique avec la cavité 37 à travers la paroi latérale de la tête 35 , et qui peut être connectée avec toute enveloppe creuse délimitant un volume où l'on veut faire le vide.
Le fond de l'élément 35 , en forme de coupe comporte une ouverture 41, à travers de laquelle passe un support annulaire d'anode 43, l'espace compris entre 43 et les bords de l'ouverture 41 étant hermétiquement fermé par un soufflet métallique 45 ;une de ses extrémités est scellée à la tête autour de l'ouverture 41, et son autre extrémité est scellée à une plaque annulaire 47 qui est, à son tour , scellée sur le support 43.
Le soufflet 45 est contenu à l'intérieur d'un cylindre , 49, de préférence en acier , qui le protège ; de ses extrémités est fixée à la tête 35 , par exemple par des vis , et 3.'autre extrémité de ce cylindre 49 supporte un collier 51 fileté intérieurement en 53, afin de recevoir un tube creux 55 qui maintient le support 43,et qui comporte une tête 57 que l'on peut manoeuvrer à main , afin de faciliter la rotation du tube 55 dans le collier 51 , de manière à élever ou à abaisser le support 43.
L'extrémité du support tubulaire 43 se prolonge dans la chambre de pompage 21 et porte , scellée sur elle , un bloc 59 , de préférence en acier , formant tête de montage pour une anode .
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Celle-ci est constituée avantageusement par une tige mince de molybdène 60 ,qui est fixée à une de ses extrémités, par exemple par filetage dans le bloc 59 ; à son autre extrémité ,elle comporte une partie finale 61 de tungatène ou de carbone .La tige 60 est munie de préférence d'une mince enveloppe 63 en matière réfractaire inerte telle que l'oxyde d'aluminium , cette enveloppe s'étendant tout le long de l'anode 60 , depuis la tête 59 jusqu'à l'extrémité active 61.
Cette extrémité active 61 de l'anode se trouvée l'intérieur de la chambre chauffante 11 , qui forme cavité pour recevoir un élément approprié à volatiliser 65 ,qui constitue une masse liquide dans le bas de cette chambre 11 , de manière à agir comme une cathode coopérant avec l'extrémité 61 de l'anode . En appliquant une tension électrique entre ces deux derniers éléments , un arc peut jaillir et vaporiser ainsi l'élément contenu dans la chambre 11.
Comme on le voit figure 1 , cette chambre 11 est formée , à l'intérieur de l'enveloppe 17 , par un bloc 67 de matière réfractaire inerte , tel que de l'oxyde 6'aluminium . Ce bloc s'adapte exactement sur la paroi interne de 17 , composée elle-même de préférence par un tube en acier ayant une extrémité ouverte destinée à être assemblée avec la tête 19 , au moyen par exemple de boulons 69 son autre extrémité est fermée par un disque ou plateau d'acier 71 soudé , ou scellé de toute autre manière au tube 17.
Le bloc réfractaire 67 , exactement adapté à l'intérieur de 17 , repose par sa partie inférieure sur le disque 71 , remplissant ainsi la partie inférieure de 17 . Ce bloc 67 comporte une cavité centrale formant la chambre 11 et selle se rétrécit en 73, de manière à constituer un tube cylindrique 75 , dans la partie supérieure dutube 17 , ce tube 75 se prolongeant dans la cavité de la chambre 15 de la tête 19, délimitant ainsi la pertie supérieure de la chambre de vaporisation , à 11 intérieur de la chambre de condensation 15 ,à l'intérieur du tube 75.
L'ajutage 13 comporte une bordure annulaire 77 , montée sur l'extrémité supérieure de 75 , cette bordure étant de préférence en
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lave ou en matière réfractaire équivalente , et étant scellée , par- exemple au moyen d'un ciment approprié , sur le sommet du tube 75 ,.
Cette bordure 77 comporte de préférence des ergots verticaux 79, espacés les uns des autres sur son pourtour , afin de supporter un élément à bord annulaire 81, qui surplombe la bordure 77 , et qui est maintenu en place par les ergots 79 de manière à former avec'77 un ajute.ge annulaire , à travers lequel la vapeur produite dans la chambre 11 , par l'échauffement du milieu 65 , peut être projetée vers le bas dans la chambre de condensation 15 .
L'élément 81 est de préférence en lave ou en toute autre matière équivalente , et il comporte une ouverture centrale à travers laquelle passe la tige 60, celle-ci pouvant se déplacer axialement . dans cette ouverture . De préférence , un ressort à boudins 83 entoure la tige 60 entre la tête 59 et la partie centrale de 81, afin de maintenir élastiquement 81 vers le bas , en l'appuyant sur les ergots 79 qui le supportent .
Il est aussi préférable d'enfermer la tête 59 , ainsi que les parties de la tige 60 et du support 43 qui se trouvent dans la chambre 21 , entre la tête 35 et l'élément d'ajutage 81 . Ceci est obtenu au moyen d'un manchon cylindrique 85, en lave de préférence , scellé annulairement à l'une de ses extrémités à l'ajutage 81 , et dont l'autre extrémité se trouve en haut de la cavité 37 de la tête 35.
L'extrémité inférieure du bloc. 67 comporte de préférence une ouverture axiale 87 dans laquelle s'adapte exactement une tige 89 , fixée à une extrémité dans le disque 71 et dont l'autre extrémité atteint la partie inférieure de la chambre 11 , de manière à être en contact avec le milieu 65.
Ce dernier , lorsqu'il est vaporisé dans la chambre 11 , est expulsé par la partie supérieure de la chambre , sous forme d'un jet annulaire à travers l'ajutage 77 - 81 et se dirige vers le bas dans la chambre de condensation 15 . L'action de ce jet entraîne des conditions de basse pression dans la chambre 21 et dans la conduite reliée au tube cylindrique 39.
Le milieu vaporisé projeté dans la chambre 15 s'y condense l'état liquide et s'évacue vers la masse 65 par un circuit de retour,
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vers la partie inférieure de la chambre 11. Dans ce but, une conduite de retour 91 est prévue de manièreà traverser la paroi ae 17 dans la partie inférieure de la chambre de condensation 15 ;
cette conduite 91 , à son autre extrémité , est reliée à la partie inférieure de la chambre 11 en passant par une ouverture de 17 et une conduite percée dans le bloc 67 . La chambre de condensation 15, dans laquelle débouche la chambre de pompage 21 , est reliée à un dispositif approprié pour faire le vide , tel qu'une poppe à vide , qui peut être reliée avec la chambre 15 , par la partie supérieurede la conduite 91. Dans ce but ,celle-ci comportea sa partie supérieure une conduite d'aspiration 95 prévue pour être raccordée à une pompe à vide.
L'arc chauffant ,qui jaillit entre l'anode 61 et la cathode constituée par le milieu 65 , peut être entretenu par une tension électrique appliquée entre 17 , quiest relié électriquement à la cathode liquide par la tige 89 , elle collier 51 , qui est relié électriquement à l'anode à travers le tube 43,les autres parties étant isolées électriquement par le cylindre de verre 25.
Afin de maintenir la chambre de pompage 21 à la basse température désirée , le tube anodique 43 peut être prolongé vers le haut , au-dessus de 57 et muni d'une tubulure 97 par laquelle un liquide réfrigérant peut être introduit dans le tube 43, A A l'intérieur de ce tube 43,on prévoit un autre tube 99, dont une extrémité s'ouvre à l'extérieur de l'extrémité externe du tube 43,et dont l'autre extrémité s'ouvre dans le tube 43, près de la tête 59 de telle sorte que le fluide réfrigérant , introduit dans le tube 43 à son extrémité supérieure , passe par son extrémité inférieure à l'intérieur de la chambre 21 , évacuant ainsi la chaleur provenant de l'extrémité de l'anode 60 qui s'étend jusqu'à cette chambre de pompage -;
de cette manière on maintient cette chambre à la température désirée , par exemple 400 C,le manchon en lave 85 empêchant la chaleur de s'échapper de l'anode pour se répandre dans les parties environnantes de la chambre 21 de pompage
La figure 2 représente une variante de construction des éléments constituant la chambre ce vaporisation 11 ,de manière à vaporiser le milieu 65 par le chauffage par résistance ou par une combinaison de chauffage par arc et par résistance
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Comme on le voit figure 2 , la chambre de vaporisation 11 comprend un tube d'acier 101, portant à sa partie supérieure l'ajutage annulaire 77.
La partie inférieure de ce tube 101 est fermée par un bouchon 103 , scellé dans ce tube et supportant un tube descendant 105 de faible diamètre , traversant le bouchon 103 et communiquant avec la chambre de vaporisation 11, Le tube 17 est également prolongé vers le bas , en-dessous du disque 71 , par un tube 107 , dont l'extrémité supérieure est scellée dans une ouverture pratiquée dans le disque 71 , son autre extrémité étant fermée par un bouchon 109 . Le tube 105 se prolonge dans le tube 107 et s'ouvre en 111 , contre le bouchon 109.
Les tubes 101 et 105 qui communiquent entre eux sont entourés par un tube 113 autour du tube 105 , un manchon 115 entourant la partie inférieure au tube 101 . Un tube 117 entoure la partie supérieure du tube ICI; les tubes 113 et 117 sont scellés et sont en communication totale avec les extrémités opposées du manchon 115, grâce à des colliers 119 et 121 ; l'extrémité du tube 113 éloignée du manchon 115 est scellée sur le tube 105 près de son extrémité 111 , au moyen d'un bouchon scellé 123 ; le tube 117 est scellé à l'ajutage 77 qui supporte la partie supérieure du tube 101, formant ainsi un espace scellé autour des tubes 101 et 105 , cet espace comprenant un volume où l'on fait le vide 125.
Le manchon 115 s'adapte exactement dans le tube 17 et le collier 119 délimite le fond de la chambre annulaire de condensation 15 , à l'intérieur de ce tube 17 , qui est disposé en 127 de façon à prévoir le retour du milieu 65 condensé dans la chambre 15, en passant par le tube 107, vers l'extrémité inférieure ouverte 111 du tube 105. Ce tube 17 est également muni d'une conduite 129 pour faire le vide , qui relie la partie inférieure de la chambre de condensation 15 à un dispositif approprié pour faire le vide , tel qu'une pompe à vide.
Comme dans la construction de la pompe représentée figure 1, le milieu à vaporiser forme une masse liquide 65 à la partie inférieure de la chambre de vaporisation 11 , à l'intérieur du tube 101 , ce
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milieu 65 est vaporisé à la suite de l'application d'une tension électrique entre les éléments 17 ou 107 et la tige 60 , dont l'extrémité active peut être légèrement au-dessus ou niveau du liquide 65 , de manière à créer un arc en vue du chauffage ;
ou bien son extrémité 61 peut être immergée dans le liquide 65 % 'Le toute manière, un chauffage par résistance est produit par le passage du courant électrique entre la tige 60 et le bouchon 109 , à travers la colonne liquide du tube IU5 , de manière à produirede la vapeur dans la chambre 11 en vue de son échappement par l'ajutage 13.La présence d'un espace annulaire 125 , où règne un certain vide , évite les pertes de chaleur à l'extérieur de la chambre 11 , et augmente sensiblement le rendement de la pompe .
Un facteur important dans le fonctionnement favorable de la pompe conforme à la présente invention consiste dans le choix d'un élément vaporisable approprié , La substance idéale pour atteindre le but proposé possède une tension (le vapeur d'environ 10-11 atmosphère , à la température ambiante , c'est à dire ayant une pression d'environ 10-8 mms. de mercure , Pratiquement ,il est avantageux de choisir une substance qui reste à l'état liquide à la température normale de l'atmosphère ou légèrement au-dessus ;
sinon , le retour de la vapeur condensée depuis la chambre 15 , par le conduite 91 ou 127, porrrait présenter des difficultés en raison du refroidissement de la substance , En outre , de manière à maintenir un courant effectif de vapeur à travers le jet en 13 , il faut disposer d'une pression de 4 cms environ de :mercure , et cette tension de vapeur doit être de préférence atteinte pour des températures raisonnables ce l'ordre de 1.500 C . ou moins .
La substance à vaporiser doit être également chimiquement stable , pout toute la garnie de température envisagée , c'est à aire qu'elle doit être stable entre la température ambiante normale et des températures de l'ordre de : 1.500 C.
Le mercure ,qui a été considéré jusqu'ici comme une substance convenable pour son utilisation dans les pompes à diffusion, présente l'inconvénient que les pompes à diffusion qui l'utilisent nécessitent un piège approprié à air liquide , ce qui
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constitue une dépense en soi , non seulement par son installation elle-même , mais aussi par le fait que ce piège nécessite un entretien suffisant pour maintenir l'efficacité (le son fonctionnement .
En choisissant une substance autre que le mercure , il faut exclure les substances organiques , telles que les esters phtaliques et les huiles hydrocarbonées , car ce ne sont pas de bons conducteurs de 1'électricité . On a déjà proposé d'utiliser des métaux qui ont à le. température ambiante une tension de vs.peur inférieure à celle'du mercure , par exemple , le plomb , 1 l'étain; le bismuth , le cadium , le zinc et les métaux du même genre .
La demanderesse a trouvé que le bismuth , le cadium , le plomb et l'étain donnent des alliages fusibles à des températures, comprises entre 180 et 60 C. et elle a également trouvé que , malgré que ces métaux aient des températures différentes de vaporisation , le. composition en % de leur alliage , contrairement à ce que l'on pouvait penser, n'est pas modifiée pendant leur distillation par la chaleur de l'arc et leur condensation .
Alors qu'il n'existe aucune dunnée sur de tels alliages , concernant leurs tensions de vapeurs , ou les diagrammes c,e leurs phases , les tensions de vapeur des constituants présentent une tension négligeable ou point de fusion des alliages , et une tension convenable de sortie à l'ajutage 13, à environ 1100 C, et il a été établi que ceci est un résultat véritable provenant de la construction et du mode de fonctionnement des pompes à diffusion conformes à la présente invention .
Bien que l'on ait décrit deux formes de réalisation de l'invention , il est évident qu'on ne désire pas se limiter à ces formes particulières données à titre d'exemple et sans aucun caractère restrictif et que , par conséquent , toutes les variantes ayant même principe et même objet que les dispositions indiquées ci-dessus rentreraient comme elles dans le cadre de l'invention .