Robinet pour contrôler de faibles débits gazeux L'invention est relative aux robinets pour con trôler de façon précise de faibles débits gazeux, dans le but, par exemple, d'alimenter de façon réglable en gaz des sources d'ions, ou de mesurer la vitesse de pompage d'une pompe à vide moléculaire.
Elle a pour but, surtout, de rendre ces robinets tels que le réglage de leur débit soit plus souple, plus sensible et plus précis que jusqu'à ce jour et que leur fermeture puisse être assurée d'une façon rigoureuse.
Le robinet selon l'invention comprend un corps tubulaire percé d'un orifice formant siège au voisi nage de l'une de ses extrémités axiales, un élément allongé formant pointeau dont l'extrémité libre est propre à s'adapter sur ledit siège et dont l'autre extrémité est rendue solidaire dudit corps, et des moyens mécaniques pour régler avec précision, à n'importe quelle température de fonctionnement, la position longitudinale de ladite extrémité libre par rapport audit siège.
De préférence, en outre, on fait comporter à ces robinets des moyens pour chauffer au moins par tiellement ledit corps d'une façon réglable.
Il convient de rappeler préalablement que le pro blème de l'introduction de très faibles quantités de gaz dans une enceinte sous vide a déjà été résolu pour certains gaz, en utilisant leur diffusion à tra vers des substances appropriées telles que le palla dium pour l'hydrogène, la quantité de gaz qui peut être dégagée par ladite substance étant fonction de la température à laquelle elle est soumise.
Mais le débit obtenu par cette méthode ne peut être réglé et connu avec précision. On a donc cherché à réaliser des appareils com mandés par un agent physique aisément mesurable et provoquant des phénomènes reproductibles.
C'est ainsi que, dans les robinets du genre en question utilisés jusqu'à ce jour, on a utilisé le dé faut d'étanchéité entre deux corps rugueux mis en contact, ou encore la dilatation relative de deux piè ces telles que le pointeau et le siège du robinet.
Dans ce dernier cas, et pour constituer les deux dites pièces, l'utilisation de deux matériaux ayant des coefficients de dilatation linéaire différents est à pros crire, car, d'une part, le débit du robinet devient fonction de la température ambiante et, d'autre part, la fermeture de celui-ci est subordonnée à son re froidissement à une température déterminée, au-des sous de laquelle on ne peut descendre que très peu, sous peine de destruction d'une pièce par l'autre, en raison de leurs déformations dépassant rapidement les limites de l'élasticité.
On a déjà réalisé certains robinets dans lesquels les deux dites pièces sont constituées en verre, le déplacement de l'une par rapport à l'autre étant ob tenu par une dilatation différentielle de leurs sup ports, portés à des températures différentes ; mais, pour les très faibles débits, la commande de ces ap pareils manque de souplesse et de sensibilité, et le réglage de leur zéro étant effectué une fois pour toutes, l'étanchéité de leur fermeture laisse à dé sirer.
Le dessin représente, à titre d'exemple, une for me d'exécution de l'objet de l'invention. La fig. 1 représente, en coupe axiale, un robinet du type à pointeau, à commande mécanique et ther mique.
La fig. 2 représente le même robinet en vue perspective.
Les fig. 3 à 5 sont des graphiques illustrant quel ques résultats d'expérience obtenus avec des robi nets semblablement établis.
Seuls ont été représentés, sur les fi-.<B>1</B> et 2, les organes nécessaires à la compréhension de l'inven tion ; les éléments correspondants de ces deux fi gures portent des nombres de référence identique.
Le robinet représenté à la<B>fi-.</B> 1 comporte un pointeau 1 soudé en 2 au corps 3 du robinet, ces deux pièces étant constituées par des matériaux de même coefficient de dilatation linéaire, et suffisam ment déformables élastiquement et/ou conducteurs de la chaleur, tels que les métaux et alliages.
Le pointeau est foré sur une portion de sa lon gueur par un canal longitudinal 4 élargi vers son extrémité pour former un premier ajutage 5 ; ce canal 4 débouche par deux ouvèrtures latérales 6 et 7 dans la cavité médiane 8 du corps 3 du robinet.
Le siège 9 du robinet est évidé dans une portion étranglée du corps 3 séparant de la cavité 8 un évi dement formant un deuxième ajutage 10.
Le corps 3 ' du robinet est enserré longitudina lement entre les deux bases 11 et 12 d'une armature ou cage 13 constituée en un matériau de même coefficient de dilatation que le robinet. Cette cage est munie, par exemple du côté opposé au siège 9, d'âne vis de réglage 14 pouvant se visser dans la base 12 et prendre appui sur le corps 3.
Les parois de la cage, qui se présentent sous, la forme générale de deux plaques parallèles, sont amin cies en 15, 16, 17 et 18, de façon à être facilement déformables. Elles sont entourées dans leur partie médiane par une ceinture 19 dont le degré de ser rage peut être réglé par vissage d'une vis 20 dont l'axe est perpendiculaire à celui du corps 3.
On conçoit que les rotations des vis 14 et 20 se traduisent chacune par une modification de la di mension longitudinale du corps 3 (qui doit être cons titué en un matériau suffisamment élastique), les premières agissant directement par butée de la vis 14 sur ce corps, et les secondes, indirectement, par flexion des parois de la cage.
Ladite modification déplace la région de la sou dure 2 par rapport au siège 9 et donc le pointeau 1 et sa pointe 21 par rapport audit siège ce qui per met d'établir de façon réglable la communication entre les deux ajutages 5 et 10 par l'intermédiaire du canal 4, des orifices 6 et 7 et de l'ouverture déga gée entre siège 9 et pointe 21.
En d'autres termes, on règle l'ouverture du robi net en agissant sur les vis 14 et 20, les rotations de la vis 14 pouvant servir aux réglages de dégros sissage et celles de la vis 20 aux réglages de finition (un tour de la première vis se traduisant par un dé placement du pointeau plusieurs dizaines de fois su périeur à celui résultant d'un tour de la deuxième). En pratique, on se servira de la vis 14 pour régler à zéro le débit du gaz traversant le robinet au repos et de la vis 20 pour régler l'ouverture de ce dernier.
Suivant un mode de réalisation préféré, on en roule autour du corps 3 un fil 22 résistant au cou rant électrique et isolé de façon connue, propre à fournir une quantité de chaleur pour dilater ledit corps. Pour disposer d'un meilleur gradient de tem pérature, on localise l'enroulement dans la région du corps voisine du siège 9.
On peut alors modifier la position de la pointe 21 du pointeau 1 par rapport au siège 9 en agissant sur la longueur du corps 3 par dilatation thermique ; la longueur du pointeau 1 (qui, comme le corps 3, est constitué en un matériau conducteur de la cha leur), est également modifiée mais, l'apport de cha leur étant effectué dans la région du siège 9, un gra dient de température proportionnel au flux thermi que s'établit dans le robinet, du siège 9 au pointeau 1 en passant par la soudure 2, la pointe 21 du poin teau 1 demeurant à la température la plus froide.
Le pointeau 1 subit donc une dilatation moins importante que celle du corps 3, ce qui entraîne un décollement de la pointe 21 par rapport au siège 9 et donc l'ouverture du robinet.
Le phénomène inverse se produit lorsque l'on arrête le chauffage: les températures du pointeau et du siège s'égalisant rapidement, l'extrémité 21 du pointeau 1 s'applique à nouveau sur le siège 9, in terdisant ainsi toute communication entre les aju- tages 5 et 10.
Dans l'appareil décrit, le corps et le pointeau ont été réalisés en laiton de même qualité ; seule l'extrême pointe rapportée 21 du pointeau 1 est en tungstène recuit. Cette pointe, brasée à l'argent sur ce pointeau, est utilisée pour l'usinage de l'appareil ainsi qu'il va être décrit et est laissée en place, ce lui-ci une fois terminé. La pointe en tungstène étant rectifiée, l'orifice qui formera le siège est percé à sec, à la main, en faisant tourner sous une pression modérée le poin teau 1 dans le corps 3 et en suivant l'opération à la loupe binoculaire jusqu'à ce que la pointe appa raisse.
On procède alors sous une très faible pres sion à l'agrandissement de l'ouverture et à son ro dage en utilisant successivement les matières abra sives connues sous les dénominations de rouge d'An gleterre et de vert de chrome.
L'épaisseur longitudinale de l'étranglement ou membrane dans lequel est percé ledit orifice, pour le laiton employé, doit être voisine de 200[t. Au- dessous de<B>100[t,</B> la membrane est trop flexible et se déplace avec le pointeau ; de plus, sa résistance devient alors très faible et l'éclatement du siège peut se produire sous un choc ou lors d'un refroidisse ment brutal du robinet. Au-dessus de 300[t, le per cement de l'orifice devient difficile et la membrane n'a plus l'élasticité suffisante pour absorber sans dé formation permanente, soit un serrage excessif de la vis de réglage, soit un refroidissement brutal du corps.
La longueur du robinet est de 80 millimètres et son diamètre extérieur de huit millimètres. Pour ces dimensions, le jeu diamétral entre le siège et la poin te ne dépasse pas une fraction de micron, ce qui permet difficilement un centrage exact qui serait d'ailleurs instable. En fait, la pointe 3 porte sur le siège 9 suivant une génératrice commune à leur sur face conique.
Le passage laissé au gaz est donc de forme complexe ; on peut cependant prévoir que le débit, pour un gaz donné à une température donnée, sera de la forme
EMI0003.0002
en régime moléculaire, et
EMI0003.0003
en régime laminaire, avec Q débit pondéral, P pression en amont du robinet, s jeu diamétral entre siège et pointe, d diamètre moyen de l'orifice, e épaisseur de la membrane, Kl et K. constantes.
Les courbes de la fig. 3 montrent l'influence du jeu diamétral e (porté en ordonnées en microns suivant une échelle logarithmique) sur le débit Q (porté en abscisses en centimètres cubes par heure suivant une échelle logarithmique) d'air ou d'hy drogène traversant divers robinets établis conformé ment à l'invention.
La courbe I est relative à un tel robinet soumis à une pression d'air de 1 atmosphère, les courbes II et II', à un autre robinet soumis respectivement à une pression d'air de 1 atmosphère et à une pres sion d'hydrogène de 1 atmosphère, la courbe III, à encore un autre robinet soumis à une pression d'hy drogène de 2 atmosphères et la courbe IV, à un quatrième robinet soumis à une pression d'hydrogène de 4 atmosphères.
On voit que l'on obtient pour ces faibles débits des droites de pente voisine de 0,5, ce qui indique un écoulement en régime moléculaire.
Les courbes de la fig. 4 montrent la façon dont varie le débit Q (porté en ordonnées en centimètres cubes par heure suivant une échelle logarithmique) en fonction de la pression P (portée en abscisses en atmosphères suivant une échelle logarithmique) pour un même robinet et pour différentes valeurs du jeu diamétral e, les courbes en traits interrompus cor respondant au cas où le gaz contrôlé est de l'hy drogène (H) et celles en trait plein au cas où ledit gaz est de l'air (A).
Le jeu diamétral e choisi était de 0,125 micron pour les courbes A1 et Hl 0,4 micron pour les courbes A2 et H2 1 micron pour les courbes A et H3 et 2,4 microns pour les courbes A4 et H4 Enfin, les échelles de la fig. 5, établies pour un robinet donné, montrent la façon dont agissent les divers paramètres de réglage sur le débit Q (porté en abscisses en centimètres cubes par heure suivant une échelle logarithmique) ; la courbe de cette fi gure a été tracée avec le robinet correspondant à la courbe II de la fig. 3 soumis à une pression d'hy drogène de quatre atmosphères.
Les divers paramètres utilisés ont été succes sivement (de gauche à droite sur la fig. 5) - l'intensité i du courant traversant l'enroule ment 22, en ampères (échelle logarithmique) ; - la différence de température<B>A, & </B> entre le corps (région du siège) et la pointe 21, en degrés centigrades ; -. le nombre de tours n de desserrage de la vis 20 ; - l'angle a de la vis de réglage 14 en degrés ; - la puissance de chauffage W, en watts, lors que le robinet est logé dans sa cage ; - et le jeu diamétral e en microns.
A la fermeture, le robinet, ne présente aucune fuitè appréciable.
La manoeuvre de l'appareil exige peu d'énergie en particulier, elle ne nécessite qu'un couple de fai ble valeur (de l'ordre de 200 grammes-centimètres sur la vis 20) et/ou qu'une puissance électrique- très faible, de l'ordre de quelques dixièmes de watts (elle n'atteint une valeur de 3 watts que pour un débit de 100 centimètres cubes par heure, comme l'indi que la fig. 5).