Machine volumétrique, notamment pompe à vide
La présente invention a pour objet une machine à cycle volumétrique, telle que pompe à vide ou autre dont l'étanchéité par soufflet est intégrale vis-à-vis de l'extérieur et dont les parties actives se débattent entre elles suivant un cycle de translation circulaire exacte et engendrée, sans aucun frottement ni lubrification.
I1 est connu que pour isoler totalement de l'extérieur par soufflet métallique ou membrane, un mobile à cycle tournant, placé à l'intérieur d'une enveloppe fixe, un moyen très efficace est de réaliser ce cycle tournant suivant une translation circulaire exacte et engendrée,
L'organe d'étanchéité étant alors lié d'une part au mobile et d'autre part à l'enveloppe fixe. Par la translation circulaire exacte et engendrée, le mobile décrit un cycle tournant à orientation rigoureusement constante et l'organe d'étanchéité qui lui est lié est ainsi mis à l'abri de tout effort de torsion fonctionnel ou accidentel.
Dans un tel appareil, outre la protection des organes d'étanchéité contre les effets de torsion, on doit impérativement maintenir la constance du très faible jeu radial ou latéral entre les parties actives de pompage de façon à éviter tout contact accidentel et à obtenir les meilleures performances de pompage. Pour cela, et compte tenu de leurs formes géométriques et des réactions résultant du travail de pompage, ces parties actives doivent donc se débattre entre elles avec le minimum de jeu radial et latéral.
La solution avantageusement choisie pour obtenir ce résultat est la mise en translation circulaire exacte et engendrée des parties mobiles par trois excentriques synchronisés, la synchronisation pouvant être réalisée, soit par le mobile lui-même, soit par une pièce de transfert liée au mobile, dans les deux cas, un des arbres excentriques étant moteur. Avec cette construction à trois excentriques synchronisés, les parties mobiles sont latéralement maintenues dans des plans bien définis et radialement le débattement en translation circulaire peut être réalisé avec le maximum de précision mécanique.
La machine volumétrique, notamment une pompe à vide, objet de la présente invention, est du type absolument étanche et sec et sans frottement interne, et est caractérisée en ce qu'elle comporte un corps fixe ayant une entrée et une sortie pour un fluide de travail, un ensemble mobile pour déplacer le fluide de travail de ladite entrée à ladite sortie, un passage pour le fluide de travail s'étendant entre ladite entrée et ladite sortie, un mécanisme ayant au moins trois manivelles d'excenricité égales et accouplées ensemble en synchronisme pour déterminer un mouvement de translation circulaire dudit ensemble mobile, ledit ensemble mobile ayant au moins un organe en forme d'anneau fendu ou de spirale tandis que ]es parois dudit passage sont conformées pour épouser la configuration de l'enveloppe de l'espace balayé par ledit organe,
un très petit jeu constant étant ménagé entre ledit organe et les parois les plus adjacentes dudit passage en toute position de l'ensemble mobile, et un dispositif de soufflet étanche ayant des extrémités fixées respectivement à l'ensemble mobile et au corps fixe pour isoler ledit passage de l'atmosphère.
Dans une forme d'exécution avec anneau spirale il peut être utilisé deux anneaux spirale identiques, avec chacun un flasque latéral, tous deux mobiles calés à 1800 I'un de l'autre et se débattant l'un dans l'autre de façon à constituer l'ensemble de la partie active de pompage. Cette solution permet d'obtenir par construction un équilibrage parfait et d'engendrer un volume de pompage double pour un même déplacement latéral des soufflets d'étanchéité.
Les moyens de liaison entre le mobile et le corps fixe ou entre les deux mobiles comportent, pour chaque mobile, au moins trois manivelles de même orientation et d'égale excentricité et synchronisées par le mobile luimême, au moins une des manivelles étant motrice.
Lorsque le mobile en forme d'anneau ouvert est de dimensions appropriées, il peut être prévu creux, les manivelles d'entraînement sont alors montées traversantes à l'intérieur de l'anneau et des moyens de soufflet ou de membranes étanches, en forme de manchons en toute matière telles que métallique ou plastique, sont disposés dans l'anneau creux et entourant les manivelles en ayant une de leurs extrémités attelée au corps fixe et l'autre extrémité à l'anneau. Cette construction est équilibrée au point de vue réaction axiale résultant de la pression.
Dans les autres cas où l'on utilise des mobiles minces, c'est-à-dire d'épaisseur réduite, le montage de ces mobiles se fait sur un flasque, lequel reçoit suivant un montage latéral l'action des moyens de liaison avec le corps pour sa mise en translation circulaire exacte. Cette construction réalisable avec trois soufflets l'est également avec un seul soufflet central à l'intérieur duquel est situé l'organe de liaison rigide qui solidarise le mobile à la pièce de transfert de mouvement (fig. 9).
Bien entendu, ces différents modes de construction peuvent être utilisés en combinaison entre eux.
La conformation des mobiles et de leurs courbes enveloppes est étudiée pour éviter les retours de fluide du refoulement vers l'aspiration ainsi que le vidage complet de la chambre de pompage en fin de refoulement.
On notera à ce sujet les propriétés remarquables obtenues avec la construction à deux anneaux spirale identiques, soit qu'ils soient tous deux mobiles, soit que l'un soit fixe et l'autre mobile. En partant du centre des anneaux spirale et en limitant leur développement angulaire à 3600, on constate qu'en fin du temps d'aspiration on emprisonne un volume V lequel est totalement et progressivement expulsé après un seul cycle de translation circulaire, la séparation entre l'échappement et l'aspiration étant constamment maintenue par les contacts progressifs et permanents (au jeu fonctionnel près) entre chacun des mobiles spirale.
Toujours en partant du centre des anneaux spirale et avec un développement angulaire des volutes égal à deux fois 3600 le volume V1 emprisonné à l'aspiration est ramené au bout d'un cycle de translation circulaire et d'une façon progressive au volume V de valeur inférieure à V1 il est alors repris au cours d'un second cycle de translation circulaire par la première portion de 3600 de développement angulaire de l'anneau spirale pour être totalement expulsé. Le fonctionnement d'un anneau spirale à deux fois 3600 de développement angulaire devient celui d'une pompe à deux étages. La séparation continue entre l'aspiration et le refoulement étant constamment et doublement assurée par deux contacts continus sur chaque spirale.
On peut ainsi multiplier le nombre d'étages de la pompe, chaque étage assurant une compression progressive indépendante avant d'arriver au volume V d'aspiration du dernier étage.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, diverses formes d'exécution de la machine, objet de la présente invention.
La fig. I est une vue schématique perpendiculaire à l'axe d'une pompe à un étage avec mobile épais traversé par les trois manivelles d'entraînement et trois soufflets d'étanchéité et avec masse d'équilibrage statique et dynamique;
la fig. 2 est une vue de cet appareil, en coupe suivant la ligne brisée II-II de la fig. 1;
la fig. 3 est une vue schématique montrant le fonctionnement d'anneaux spirale à un étage;
les fig. 4 et 5 sont des vues schématiques montrant le fonctionnement d'anneaux spirale à deux étages;
la fig. 6 est une vue schématique perpendiculaire à l'axe d'une pompe à deux étages avec deux anneaux spirale mobiles et montage auto-équilibré;
la fig. 7 est une vue de cet appareil en coupe suivant la ligne brisée VII-VII de la fig. 6;
;
la fig. 8 est une vue schématique perpendiculaire à l'axe d'une pompe à deux étages avec un anneau spirale fixe et l'autre mobile, le montage étant réalisé latéralement avec un seul soufflet central et équilibrage par masse additionnelle;
la fig. 9 est une vue de cet appareil en coupe suivant la ligne axiale IX-IX de la fig. 8.
La pompe (fig. I et 2) comporte un corps fixe 10 se composant d'une paroi cylindrique externe 11, d'une paroi cylindrique interne 12, concentrique à la précédente, et de deux parois latérales de fermeture 13 et 14.
L'axe A des parois cylindriques 1 i et 12 du corps 10 est représenté par un point à la fig. 1 et par un trait mixte à la fig. 2. Les parois 11 et 12 définissent entre elles une cavité de forme générale annulaire, désignée dans son ensemble par 15.
La pompe comporte également un mobile 16, engagé dans la cavité 15, et qui est constitué par un anneau circulaire fendu en 17 et ayant une forme de boîte creuse de manière à loger librement les manivelles 18 qui, dans cet ensemble non limitatif, constituent les moyens de liaison avec le corps fixe pour engendrer une course de translation circulaire exacte.
La face de la fente 17 de l'anneau mobile 16 qui est située du côté de l'aspiration 27 est plane et radiale et présente au voisinage de la paroi cylindrique intérieure fixe 12 un appendice 1.9 en forme de colonnette semicylindrique coopérant avec une encoche ménagée dans ladite paroi 12 pour éviter toute intercommunication entre le refoulement et l'aspiration lorsque le mobile est au contact avec la paroi externe 1 1 suivant la position instantanée de la fig. 1. Côté refoulement, le mobile se termine par une partie cylindrique dont la courbe enveloppe est constituée par la cloison 30. L'espace 17 est en communication avec l'aspiration 27.
Les moyens de liaison entre le mobile 16 et le corps 10 comportent trois moyens d'excentriques disposés à 1200 et consistant chacun en une manivelle 18. Celle-ci présente une partie 20 montée tournante par rapport au corps 10 et maintenue par le canon 21 à l'aide de roulements et de butées. La partie 18 excentrée de la valeur E est également maintenue par un canon de guidage 22 solidaire du mobile 16. Par ce montage on évite au maximum les effets de flexion sur les arbres manivelles 18. Des systèmes de blocage des roulements de butée 36 assurent la répartition des jeux fonctionnels entre les faces latérales du mobile et du corps. La valeur d'excentration E désignée à la fig. 1 définit le rayon de translation circulaire exacte du mobile 16.
L'entraînement se fait à partir de l'arbre central 26 sur lequel est calée la masse d'équilibrage 25. Une pièce d'attelage 24 assure la solidarisation par embiellage à excentriques des arbres manivelles 18 avec l'arbre central 26. Il est à noter que cette solidarisation est nécessitée par la présence de la masse d'équilibrage 25, les arbres manivelles 18 se trouvant déjà synchronisés entre eux par le mobile 16.
Des soufflets d'étanchéité 23, en forme de manchons, sont également logés dans l'anneau 16 et entourent les manivelles 18. Chaque soufflet 23 est attelé rigi dement par une extrémité 28 au canon 21 solidaire du corps 10 et par l'autre extrémité 29 au canon 22 solidaire du mobile 16.
Chaque soufflet 23 est soustrait à tout effort de torsion grâce au montage des trois manivelles 18 générateur d'une translation circulaire exacte du mobile et a seulement un léger mouvement d'ondulation ne procurant qu'une fatigue négligeable. Les soufflets peuvent être choisis en toute matière appropriée, métallique, plastique ou autre et assurent une étanchéité rigoureuse.
On appréciera que la mise en translation circulaire exacte et engendrée de la pièce 16 est effectuée par une pluralité (trois au minimum et non alignées) de manivelles 18 d'excentricité E et synchronisées par la pièce 16 elle-même. Sans la masse d'équilibrage statique et dynamique 25 la pièce de solidarisation 24 pourrait être supprimée, la pompe fonctionnant alors par la seule attaque d'un des arbres 18.
Comme pour toutes les figures qui suivent, le sens de marche correspond à une rotation des excentriques suivant les flèches 30.
La paroi 11 comporte un orifice 27 d'admission de fluide tandis que la face 14 peut comporter deux soupapes de refoulement 31 et 32 communiquant respectivement avec les parties internes et externes de la cavité.
En considérant la fig. 1 on voit que pour un cycle de fonctionnement le volume engendré par l'action des parois cylindriques interne et externe de l'anneau 16 avec leurs courbes enveloppes est théoriquement égal à la différence de volume entre la cavité 15 et l'anneau 16.
Dans la position instantanée du mobile tel que représenté à la fig. 1 on voit nettement, côté refoulement, que le contact n'est jamais interrompu entre le mobile 16 et ses courbes enveloppes de la cavité 15. Dans cette même position instantanée le fluide comprimé à l'extérieur du mobile 16 s'échappe en partie par la soupape 32, le volume non expulsé passant alors dans la chambre côté face interne du mobile 16 pour être ensuite totalement refoulé par la soupape 31, la séparation entre les refoulements et l'aspiration étant constamment maintenue grâce, en particulier, à la pièce 19.
On notera que le volume parasite situé à l'intérieur de l'anneau et à l'extérieur des soufflets métalliques peut être mis facilement en communication avec la seule aspiration, il est alors soumis à la pression de l'enceinte à pomper.
On se réfèrera aux figures schématiques 3, 4 et 5 qui montrent le déroulement des cycles de pompage avec un mobile en forme d'anneau spirale se débattant en translation circulaire exacte à l'intérieur d'une partie fixe constituée par une courbe enveloppe de tracé spirale identique.
Suivant la fig. 3 on voit un mobile 16 dont le développement angulaire est de 360o et dont la courbe enveloppe 12, solidaire du corps 10, a un tracé spirale identique avec point de départ situé en B.
Le tracé de spirale mobile est avantageusement réalisé par des parties demi-cylindriques dont les centres sont en M1 et M2, les centres de la spirale fixe étant en
M3 et M4. La mise en translation circulaire du mobile est assurée par trois excentriques tournant dans le sens des flèches 30 avec un rayon d'excentration égal à E.
L'aspiration suivant 27 se prolonge entre l'extérieur de l'anneau mobile 16 et la paroi du corps 10 jusqu'au point B où débute la partie active de pompage. Le refoulement se fait au centre par l'orifice 31 non représenté sur les fig. 4 et 5 pour la clarté du dessin.
Suivant la position instantanée du mobile 16 sur la fig. 3, on voit que l'aspiration est en cours alors que le refoulement dans la partie centrale du volume emprisonné lors du cycle précédent est également en cours.
En se reportant fig. 4, on voit que pour la portion d'anneau spirale de 3600 de développement angulaire, comme représenté fig. 3, l'aspiration est terminée lorsque les contacts B1 et B2 sont établis, les deux volumes
V emprisonnés lors du cycle précédent étant alors totalement expulsés.
Pour un tel anneau, un seul cycle de translation circulaire permet d'isoler deux volumes V, lesquels sont ensuite réunis et progressivement comprimés pour être totalement expulsés par l'orifice 31. La séparation entre les deux zones d'aspiration 27 et le refoulement 31 est constamment assurée par le déplacement continu des contacts B1 et B2 (voir fig. 5) qui reviennent à la position de la fig. 4 lorsque s'établit le contact B3 de fin de refoulement.
Le fonctionnement d'un anneau spirale de 3600 de développement angulaire correspond à celui d'une pompe à vide à un seul étage.
Considérons à nouveau l'ensemble de la fig. 4 où le mobile 16 a un développement angulaire de deux fois 3600. Dans la position instantanée de cette figure on voit que par les contacts B4 et B5 on vient d'isoler, en fin du temps d'aspiration, deux volumes V1. Au bout d'un premier cycle de translation circulaire, les deux volumes V1 sont progressivement comprimés jusqu'à la valeur V inférieure à V1. Cette compression progressive, dont la fig. 5 représente une position intermédiaire, est possible par le déplacement continu des contacts de séparation (au jeu près) amenant B4 en B1 et B5 en B2.
Au cours d'un second cycle de translation circulaire les deux volumes V sont d'abord réunis puis progressivement comprimés et expulsés par l'orifice 31 comme expliqué précédemment.
La fig. 5 montre à ce suiet une position intermédiaire où, par rapport à la fig. 4, le mobile 16 s'est déplacé d'une portion de cycle correspondant à une rotation suivant 30 d'un angle a des excentriques de commande. Dans cette position, l'aspiration suivant 27 est en cours, les deux volumes V1 de la fig. 4 étant devenus V2 et les deux volumes V de la même fig. 4 étant réunis en V3 suivant une position du mobile 16 précédant le refoulement total. On voit que les barrières B1, B2, B4 et B5 tout en occupant de nouvelles positions réalisent toujours la séparation entre les volumes de chacun des étages et également entre les volumes V2 et l'aspiration.
On constate ainsi que le fonctionnement d'un anneau spirale de deux fois 3600 de développement angulaire fonctionne comme une pompe à vide à deux étages.
Chaque étage réalise d'une façon progressive sa propre compression par le fait de la séparation permanente (au jeu fonctionnel près) entre l'aspiration et le premier volume comprimé d'une part et d'autre part entre ce premier volume et le second volume expulsé suivant le cycle de la fig. 3.
On saisira tout l'intérêt de cette construction qui permet, notamment dans l'application aux pompes à vide, de multiplier le nombre d'étages avec un seul appareil où les parties actives de pompage sont, soit l'une fixe et l'autre mobile, soit toutes deux mobiles et calées à 1800
I'une de l'autre.
Les fig. 6 et 7 montrent à titre d'exemple non limitatif une pompe dont la partie active est constituée par deux mobiles identiques se débattant l'un dans l'autre pour former un ensemble à deux étages auto-équilibré statiquement et dynamiquement.
Le corps 10, relié à l'enceinte à vider par la paroi 13 et le conduit d'aspiration 27, est fermé à l'opposé par la paroi 14. Ce corps isole, par l'intermédiaire des six soufflets 23 et du soufflet 34, la partie active de pompage de l'ambiance extérieure.
Les deux mobiles identiques 1 6a et 16b, ayant un développement angulaire de deux fois 3600, possèdent chacun un flasque latéral respectivement en 35a et 35b.
Le mobile 16b.est relié à sa pièce de transfert 33b au moyen des trois liaisons rigides 22b passant à l'intérieur des soufflets 23. Ces soufflets 23 sont solidaires du corps fixe 10 en 28 et du flasque 35b en 29. La pièce de transfert 33b est entraînée en translation circulaire exacte par la rotation des trois manivelles 1 8b appartenant aux trois arbres 20 centrés dans le corps 10 par les moyens de paliers situés, suivant la fig. 6, à 1200 I'un de l'autre.
Les moyens de liaison entre le mobile 16a et sa pièce de transfert 33a, non visibles sur les figures, sont montés de façon strictement identique et symétrique à ceux du mobile 16b. La pièce de transfert 33a du mobile 16a est entraînée en translation circulaire exacte par l'action des trois excentriques 1 8a appartenant également aux arbres 20, ces excentriques 18a étant calés chacun à 1800 par rapport à chacun des excentriques 18b.
Le réglage du jeu latéral entre un mobile et le flasque de l'autre mobile est obtenu par des moyens de butée 36.
Les deux parties actives 16a et 16b étant mobiles, le refoulement 31 est relié au corps 10 par un moyen de soufflet ou membrane 34.
La construction avec la partie active de pompage constituée par deux anneaux spirale mobiles, outre la facilité d'équilibrage statique et dynamique, permet, pour un même déplacement latéral des soufflets 23, de doubler l'amplitude de débattement des deux anneaux spirale l'un par rapport à l'autre et ceci comparativement à la solution avec un anneau spirale fixe et l'autre mobile.
Bien entendu, la construction peut être envisagée avec le mobile 16a solidaire du corps fixe 10, le mobile 1 6b étant entraîné par simplement trois manivelles suivant une construction comparable à celle de la fig. 2.
Dans ce cas, le soufflet 34 est inutile et le conduit d'aspiration 27 peut être placé comme sur la fig. 2. Cette construction nécessite l'adjonction de masses d'équilibrage statiques et dynamiques.
Les fig. 8 et 9 se rapportent à une pompe avec un mobile 16 à anneau spirale de deux fois 3600 de développement angulaire se débattant à l'intérieur d'une partie fixe constituée par un anneau spirale identique 12 appartenant au corps 10.
L'anneau spirale mobile 16 comporte un flasque latéral 35 rendu solidaire de la pièce de transfert 33 par la pièce de liaison rigide 22 située à l'intérieur du soufflet unique 23.
La pièce de transfert 33 est mise en translation circulaire exacte par l'action des trois manivelles 18 appartenant aux trois arbres 20 centrés sur le corps 10 par des paliers disposés périphériquement à 1200 l'un de l'autre. Des moyens de butée 36 permettent le réglage du jeu fonctionnel latéral entre le mobile 16 et les parties actives correspondantes du corps 10.
L'aspiration est suivant 27 le refoulement se situant en 31 avec une soupape.
L'équilibrage dynamique et statique est réalisé à l'aide d'une masse additionnelle 25 mise en translation circulaire par les trois excentriques 37 calés sur l'arbre 20 avec 1800 de décalage par rapport aux manivelles 18.
Cette construction convient de préférence aux pompes à faible débit.
Comme pour les fig. 6 et 7, la mise en translation circulaire exacte est engendrée à partir de la rotation d'un des arbres 20.