EP1144873A1

EP1144873A1 - Pompe a vide

Info

Publication number: EP1144873A1
Application number: EP99973101A
Authority: EP
Inventors: Pierre Vanden Brande; Alain Weymeersch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-11-27
Filing date: 1999-11-25
Publication date: 2001-10-17
Anticipated expiration: 2019-11-25
Also published as: ZA200104817B; EP1144873B1; AU1368400A; DE69911257T2; BR9916870A; DE69911257D1; WO2000032940A1; ATE249585T1; US6638032B1; JP2002531756A; CA2351677A1; AU767792B2

Abstract

Pompe à vide comprenant une enceinte (1) présentant, d'un côté, une ouverture d'entrée (2) pour le gaz à pomper et, du côté opposé, une ouverture de sortie (3) de ce gaz, des moyens de déplacement (4) étant prévus pour faire mouvoir ce gaz à partir de l'ouverture d'entrée (2) vers l'ouverture de sortie (3), ces moyens de déplacement (4) comprenant au moins un élément vibrant (4) permettant de créer des ondes sonores se mouvant dans cette enceinte (1), des moyens de fermeture (6) de l'ouverture de sortie (3) étant prévus coopérant en synchronisme avec les moyens de déplacement (4) d'une manière telle à dégager l'ouverture de sortie (3) au moment où la pression du gaz près de cette ouverture (3) est supérieure à celle près de l'ouverture d'entrée (2).

Description

Pompe à vide

La présente invention est relative à une pompe à vide telle que définie dans le préambule de la revendication 1.

L'invention concerne plus particulièrement un nouveau type de pompe à vide qui présente d'importants avantages par rapport aux pompes existant actuellement sur le marché et qui fonctionne dans la gamme de pressions comprises entre 10^"2 mbar et 10 mbar suivant un principe entièrement différent de celui sur lequel est basé le fonctionnement des pompes existantes prévues pour cette gamme de pressions..

Les pompes à vide actuellement disponibles sur le marché et prévues pour travailler dans cette gamme de pressions fonctionnent par entraînement volumétrique du gaz quelque soit le dispositif mécanique mis en jeu. Il peut, par exemple, s'agir de pompes à cames, bien connues sous le nom de pompe "Root", dont la sortie est connectée à l'entrée d'une pompe primaire, généralement une pompe à palettes ou une pompe à pistons oscillants, si l'on désire maintenir une pression de l'ordre de 10² mbar à 10 mbar dans une chambre à vide ou à la sortie d'une pompe moléculaire.

Une pompe "Root" est une machine à déplacement positif qui permet d'entraîner le gaz à basse pression à partir de l'entrée vers la sortie de la pompe où le gaz est à pression plus élevée, au moyen de deux cames à arbres parallèles tournant de manière synchronisée en sens inverse suivant un principe bien connu. L'étanchéité d'une telle pompe est assurée par un jeu relativement faible, de l'ordre de 0,05 mm à 0,25 mm, qui existe entre les lobes des cames et la paroi interne de la pompe. Une telle pompe présente différents inconvénients, qui sont notamment comme suit :

• elle nécessite un usinage précis et, par conséquent, onéreux, des cames et de sa paroi interne pour assurer les faibles jeux nécessaires à son étanchéité et un ajustage parfait des paliers et des arbres à cames ;

• le rapport entre l'énergie consommée et l'énergie réellement nécessaire pour entraîner le gaz est relativement élevé étant donné que cette pompe connue nécessite l'entraînement de pièces métalliques à inertie relativement élevée et subit des pertes énergétiques non négligeables dues au frottement au niveau des paliers et des joints d'étanchéité ;

• en cas d'échauffement excessif des cames, la pompe doit être mise à l'arrêt pour éviter qu'elle ne soit endommagée par suite de la dilatation des cames. Pour éviter ce problème, la différence de pression entre l'entrée et la sortie de la pompe est le plus souvent limitée à 10 mbar. En pratique, pour éviter ce problème, on réalise un by-pass ou on laisse la pompe en rotation libre tant que la pression est égale ou supérieure à 10 mbar ; • chaque lobe passant alternativement d'une zone haute pression à la sortie de la pompe, à une zone basse pression à l'entrée de cette dernière, un entraînement de gaz du côté haute pression vers le côté basse pression se produit nécessairement. En effet, il y a adsorption de gaz sur la surface des lobes du côté haute pression et désorption de gaz sur la surface des lobes lorsqu'ils atteignent la zone basse pression de la pompe, ce qui limite nécessairement les performances de ce type de pompe. Par ailleurs, le document US-A-5.295.791 concerne des pompes permettant de comprimer ou de déplacer un fluide suivant un principe identique à celui des compresseurs décrits dans le préambule de la revendication 1. II ne s'agit toutefois pas de pompes pouvant fonctionner à des pressions en dessous de la pression atmosphérique.

Un des buts essentiels de la présente invention est de proposer une pompe à vide ne présentant pas les inconvénients des pompes volumétriques connues ou des pompes décrites et représentées dans le document US-A-5.295.791.

Ainsi, la pompe, suivant l'invention, se caractérise par le fait que des moyens sont prévus pour soumettre l'élément vibrant à une vibration avec une amplitude d'au moins deux fois et de préférence supérieure à cent fois le libre parcours moyen entre des collisions élastiques de particules de gaz dans l'enceinte, ce libre parcours moyen correspondant à la pression locale mesurée à proximité de cet élément vibrant pour permettre de créer, à une pression dans l'enceinte comprise entre 10^"2 et 1000 mbar et plus particulièrement entre 0,01 et 10 mbar, des ondes sonores formant une succession de zones de compression et de dépression dans ledit gaz entre l'ouverture d'entrée et l'ouverture de sortie.

Il en est de même pour les dimensions caractéristiques du passage à travers l'enceinte de l'entrée jusqu'à la sortie de cette dernière, telle que diamètre hydraulique à chaque endroit de ce passage, qui doivent également être supérieures à deux fois et de préférence cent fois le libre parcours moyen des molécules du gaz traversant l'enceinte susdite et ceci pour des pressions du gaz comprises entre 10^"2 et 1000 mbar et plus particulièrement entre 0,01 mbar et 10 mbar. Avantageusement, l'enceinte précitée présente une section transversale décroissante par rapport au sens de déplacement du gaz à partir de l'ouverture d'entrée vers l'ouverture de sortie.

Suivant une forme de réalisation particulièrement avantageuse, l'enceinte précitée présente l'allure d'un pavillon à section décroissante depuis l'ouverture d'entrée du gaz jusqu'à l'ouverture de sortie du gaz.

D'autres détails et particularités de l'invention ressortiront de la description donnée ci-après, à titre d'exemple non limitatif, de trois formes de réalisation particulières de l'invention avec référence aux dessins annexés. La figure 1 est une vue schématique en élévation d'une première forme de réalisation d'une pompe à vide suivant l'invention.

La figure 2 est une coupe suivant la ligne ll-ll de la figure 1.

La figure 3 est une vue schématique en élévation de montage en série de plusieurs pompes à vide suivant la première forme de réalisation de l'invention.

La figure 4 est une vue en élévation d'une deuxième forme de réalisation de l'invention.

La figure 5 est une représentation de l'évolution de la variation relative de pression, Δp/p₀, dans le pavillon suivant la figure 1 en fonction de la distance à partir de l'élément vibrant.

Dans les différentes figures, les mêmes chiffres de référence concernent des éléments identiques ou analogues.

L'invention concerne un nouveau type de pompe à vide, principalement destinée au pompage d'un gaz dans une zone de pression comprise entre 10^"2 mbar et 1000 mbar et préférentiellement entre 10^"2 mbar et 10 mbar. Elle comprend une enceinte présentant, à un de ses côtés, une ouverture d'entrée pour le gaz à pomper et, à son côté opposé, une ouverture de sortie de ce gaz, ainsi que des moyens pour faire écouler ce gaz à partir de l'ouverture d'entrée vers l'ouverture de sortie.

Les moyens de déplacement précités comprennent au moins un élément vibrant qui permet de créer dans le gaz à pomper des ondes sonores formant une succession de zones de compression et de dépression dans ce gaz se déplaçant naturellement dans cette enceinte.

Cette pompe se distingue par rapport aux pompes à vide connues par le fait que des moyens, connus en soi et non représentés aux figures annexées, tels que des électro-aimants, sont prévus pour soumettre l'élément vibrant à une vibration avec une amplitude d'au moins deux fois et de préférence d'au moins cent fois supérieure au libre parcours moyen entre deux collisions élastiques de particules de gaz dans l'enceinte.

Le libre parcours est fonction de la pression locale, de la nature du gaz, plus particulièrement du diamètre moléculaire ou atomique des particules de gaz, et de la température.

Ce libre parcours moyen est la distance moyenne parcourue par les molécules ou atomes d'un gaz déterminé entre deux collisions élastiques de ces dernières et est proportionnel au rapport T/P dans lequel T est la température en degrés Kelvin et P la pression locale. En pratique, on mesure la pression et la température du gaz et au moyen d'un graphique pour ce type de gaz, on détermine automatiquement le libre parcours dans ce gaz spécifique à la pression et température mesurées, (voir "Handbook of Physical Vapor Déposition "PVD" Processing" par Donald M. Mattox, Noyés Publications ISBN 0-8155-1422-0, pages 108 et 109)

De plus, un organe de fermeture est de préférence prévu à l'ouverture de sortie qui coopère en synchronisme avec l'élément vibrant, de manière telle à dégager cette ouverture de sortie au moment où la pression du gaz près de cette ouverture est supérieure à la pression moyenne, appelée pression de base p₀ , régnant à l'ouverture d'entrée.

Un tel organe à l'ouverture de sortie n'est pas obligatoire mais permet d'obtenir un meilleur rendement. Avantageusement, afin d'obtenir une conductance suffisante à l'entrée de l'enceinte, l'ouverture d'entrée est aussi grande que possible et présente de préférence une section qui est sensiblement égale à la plus grande section de l'enceinte.

Pour la même raison, l'ouverture d'entrée ne présente pas d'organe de fermeture. Le but de toutes ces précautions est d'assurer un régime fluide au gaz à partir de l'entrée de l'enceinte jusqu'à la sortie de cette dernière, à l'opposé d'un régime moléculaire, c.à.d. un régime dans lequel le gaz répond au lois de l'aéraulique.

La pompe suivant l'invention peut être composée d'un ou de plusieurs étages identiques ou non.

Les figures 1 et 2, qui concernent une première forme de réalisation de la pompe à vide suivant l'invention, représentent schématiquement une pompe à un étage ou éventuellement un étage déterminé d'une pompe à plusieurs étages. Cet étage ou cette pompe comprend une enceinte ou corps creux 1 présentant, à un de ses côtés, une ouverture d'entrée 2 et, à son côté opposé, une ouverture de sortie 3.

Les moyens de déplacement, formant l'élément moteur de la pompe, sont constitués, dans ce cas particulier, d'une membrane ou plaque vibrante 4 soutenue par une armature 5 dans l'enceinte 1 , à proximité de l'ouverture d'entrée 2. Cette plaque ou membrane 4 permet de créer des ondes sonores et donc alternativement des zones de compression et de décompression dans l'enceinte 1. Dans cette forme de réalisation particulière, le corps creux ou l'enceinte 1 présente une forme intérieure en forme de pavillon, dont la section diminue d'une manière logarithmique à partir de l'ouverture d'entrée 2 jusqu'à l'ouverture de sortie 3. Les moyens de fermeture de l'ouverture de sortie 3 sont constitués par une valve 6, soutenue par une armature 7, qui, lorsque la pression P est plus élevée du côté étroit du pavillon 1 , c'est-à-dire à proximité de l'ouverture de sortie 3, que la pression de base P₀ , s'ouvre en permettant ainsi à une partie du gaz de s'échapper par cette ouverture de sortie 3, pendant qu'une partie équivalente de gaz entre par l'ouverture d'entrée 2.

Lorsque la pression P diminue en dessous de la pression de base P₀ , du côté de l'ouverture de sortie 3 du pavillon 1 , la valve 6 se ferme pour empêcher le gaz, qui s'est initialement déplacé vers le côté haute pression, c'est-à-dire du côté de l'ouverture de sortie, d'être refoulé du côté basse pression de l'enceinte 1 à proximité de l'ouverture d'entrée 2.

L'effet moteur du pompage est donc le déplacement à la vitesse du son d'une onde de surpression à partir de l'ouverture d'entrée 2 vers l'ouverture de sortie 3 du pavillon 1.

La figure 3 représente schématiquement une pompe à vide suivant l'invention composée de quatre étages successifs A, B, C et D. Ces quatre étages sont identiques et correspondent chacun à la forme de réalisation de la pompe, telle que montrée aux figures 1 et 2.

Dans cette pompe à quatre étages, les enceintes 1 de chacun d'eux sont montées en série en raccordant l'ouverture de sortie d'un étage déterminé à l'ouverture d'entrée de l'étage suivant et ainsi de suite.

La figure 4 concerne une deuxième forme de réalisation particulière de la pompe à vide suivant l'invention. Dans cette forme de réalisation une enceinte 1 s'étend de part et d'autre de l'élément vibrant 4.

Une ouverture d'entrée unique 2 est prévue à proximité de cet élément vibrant 4, de manière à permettre au gaz de pénétrer dans les deux parties de l'enceinte 1 de part et d'autre de cet élément et de se propager vers l'ouverture de sortie 3 de chacune d'elles.

Cette configuration présente l'avantage qu'elle permet de doubler la vitesse de pompage par rapport à l'élément vibrant pour la même puissance consommée. Comme dans la forme de réalisation montrée à la figure 3, les pompes à vide correspondant à cette deuxième forme de réalisation peuvent être connectées en série pour constituer une pompe à plusieurs étages. Il suffit pour cela de connecter les ouvertures de sortie 3 d'une des pompes à l'ouverture d'entrée 2 d'une pompe montée en aval de ces ouvertures de sortie 3.

Avantageusement, on crée dans l'enceinte 1 de la pompe, suivant l'invention, une onde sonore stationnaire dont le but est d'amplifier les variations de pression. A cet égard, la distance séparant l'ouverture d'entrée 2 de l'ouverture de sortie 3 de l'enceinte 1 , et plus particulièrement la distance séparant la valve de sortie 6 de la membrane d'excitation 4, et les fréquences de vibration de cette dernière sont telles qu'elles peuvent créer cette onde stationnaire dans le gaz contenu dans l'enceinte 1. La fréquence d'excitation de l'élément vibrant 4 doit ainsi être adaptée à la vitesse du son dans le gaz à pomper. Cette fréquence dépend entre autres de la masse moléculaire moyenne et de la température du gaz.

Ainsi, à température constante et pour une distance déterminée entre ces deux ouvertures 2 et 3, si l'on passe d'un gaz de faible masse moléculaire à un gaz de plus forte masse moléculaire, la vitesse du son dans le gaz diminue et la fréquence d'excitation doit être diminuée proportionnellement pour obtenir la résonance, c'est-à-dire la formation d'une onde sonore stationnaire.

Par exemple, entre l'argon de masse atomique 40 et l'hydrogène de masse moléculaire 2, la fréquence d'excitation devra être de l'ordre de 4,5 fois plus élevée pour l'hydrogène que pour l'argon. La fréquence d'excitation est généralement inversement proportionnelle à la racine carrée de la masse moléculaire ou atomique moyenne du gaz à pomper. Une pompe avec une enceinte 1 en forme de pavillon permet d'atteindre des taux de compression avec un nombre minimum d'étages. En effet, en supposant le déplacement d'une onde sonore de l'entrée 2 jusqu'à la sortie 3 du pavillon 1 , le volume dans lequel est piégée une zone en surpression, occupant une longueur équivalente à une demi longueur d'onde de l'onde sonore à fréquence constante, se réduit progressivement de l'ouverture d'entrée 2 à l'ouverture de sortie 3 de l'étage considéré de la pompe. Il en résulte que la variation de pression positive considérée augmente lors du déplacement d'une onde sonore de l'ouverture d'entrée 2 à l'ouverture de sortie 3 de la pompe proportionnellement au rapport des volumes occupés à l'entrée et à la sortie de cette dernière.

Avantageusement, l'amplitude de vibration de l'élément vibrant 4 est au moins égale à deux fois le libre parcours moyen entre collisions élastiques des particules du gaz dans l'enceinte 1 , au niveau de cet élément vibrant. Les dimensions minimales de la section de passage du gaz sont de préférence au moins égales à deux fois le libre parcours moyen entre collisions élastiques de particules de gaz au niveau de ce passage. La pompe, suivant l'invention, notamment telle qu'illustrée par les figures annexées, qui permet d'obtenir des vitesses de pompage élevées, fonctionne pour des fréquences d'excitation de l'élément vibrant 4 généralement inférieures à 20.000 Hz et de préférence comprises entre 20 Hz et 5.000 Hz.

Le pavillon 1 de la pompe à vide, suivant l'invention, peut présenter des géométries très différentes.

Ainsi, sans que cette liste ne soit limitative en ce qui concerne la courbure de la section longitudinale de ces pavillons, la ligne d'intersection obtenue peut présenter une forme exponentielle, droite, ou encore hyperbolique. De plus, cette ligne peut éventuellement être constituée de portions successives de configurations différentes, par exemple une partie variant exponentiellement suivie d'une partie droite.

En outre, la pompe et plus particulièrement l'enceinte 1 de cette dernière, ne doit pas nécessairement être construite suivant un axe droit entre l'ouverture d'entrée 3 et l'ouverture de sortie 4. Elle peut être recourbée, par exemple pour prendre la forme d'un cor de chasse.

Par ailleurs, le ou les pavillons de la pompe à vide suivant l'invention, peuvent présenter une section perpendiculaire à la direction de déplacement des gaz de forme circulaire, elliptique ou polygonale, en particulier rectangulaire.

Ci-après est donné un exemple concret de réalisation d'une pompe à vide suivant l'invention constituée de quatre étages, comme montré à la figure 3. II s'agit d'une pompe fonctionnant avec un pavillon dit exponentiel identique pour chacun de ces quatre étages, respectivement muni d'une valve de décharge 6 et d'une membrane d'excitation 4, en PVDF, au centre de laquelle est fixé un électro-aimant, non représenté, et maintenue par l'armature 5 en étant orientée vers la valve de décharge 6. Le diamètre de cette membrane d'excitation est de 419 mm, ce qui permet d'obtenir une aire d'ouverture utile au passage du gaz comprise entre le corps de pompe 1 et sa périphérie équivalente à celle de l'ouverture d'entrée 2 de diamètre nominal de 250 mm. De cette manière, l'aire de la membrane d'excitation 4 représente plus de 73 % de l'aire d'ouverture maximale du pavillon. La membrane est mise en vibration par une excitation centrale réalisée au moyen de l'électro-aimant précité, formant un dispositif électrodynamique solidaire de l'armature 5, sa fréquence étant directement fixée par la fréquence de vibration du dispositif électrodynamique.

Le diamètre intérieur du pavillon est de 40 mm du côté étroit, c'est-à-dire à l'ouverture de sortie 3, et de 488 mm du côté évasé opposé, c'est-à-dire à l'ouverture d'entrée 2 de chaque étage pour une longueur totale de 1 mètre à partir de la membrane d'excitation 4 jusqu'à la valve de sortie 6 de chaque étage.

Lorsque la membrane 4 est excitée à chaque étage à 300 Hz, on obtient, par étage, un taux de compression maximum de 2,54, ce qui donne un taux de compression maximum total pour les quatre étages de la pompe de 41 ,6. Toujours dans ces conditions, la vitesse de pompage de la pompe est de 7.310 m³ par heure.

Il s'agit donc d'une pompe qui est parfaitement adaptée pour être raccordée entre une pompe primaire et une pompe moléculaire faisant ainsi partie d'un groupe de pompage dit "haut vide". Ainsi, lorsqu'une pression de 1 mbar est maintenue à l'entrée du premier étage de cette pompe, on observe une pression de 12 mbar à la sortie du dernier étage si ce dernier est connecté à une pompe primaire permettant d'obtenir un débit volumétrique de 600 m³/heure. Le taux de compression pratique est, dans ce cas, de 12.

Dans ces conditions, on peut créer des ondes sonores dans le gaz qui se comporte comme un fluide, ce qui est donc différent d'un régime moléculaire.

Dans un régime fluide, il existe une interaction entre les molécules du gaz, tandis que dans un régime moléculaire, les molécules se comportent comme des particules sensiblement indépendantes.

Sur base des données précitées, dans le cas où le gaz est formé d'air, l'homme de métier peut, pour arriver aux résultats précités, effectuer les calculs suivants : a Variation de pression instantanée dans un pavillon exponentiel

Δ P

= - γ . a . e k s in ( w t kx ) - — c o s ( ω t kx )

Δ P = variation de pression locale dans le pavillon P₀ = pression de base à l'entrée du pavillon a = amplitude de vibration de la membrane x = distance de l'entrée du pavillon mesurée à partir de la membrane d'excitation 4 v = fréquence de vibration de la membrane d'excitation t = temps

ω=2πv γ= 1 ,4 (air) μ=5 m ^"1

M OU k_B = 1 ,3807 . 10^"23 JK^"1 représente la constante de Boltzmann

T = température en Kelvin

M = masse moléculaire moyenne d'une particule de gaz

Le pavillon est défini par sa longueur L= 1 m (distance entre membrane d'excitation à l'entrée du pavillon et la sortie du pavillon) et par l'aire S de sa section transversale à une distance x de la membrane (section d'entrée) avec S= S₀ e^{μ(L x)}

S₀ = aire de la section à la sortie du pavillon

Dans le cas de l'exemple précité on a considéré une fréquence de vibration de la membrane d'excitation v = 300 Hz avec une amplitude de vibration a = 0,04m.

L'exemple concerne une pompe fonctionnant dans de l'air à T = 300K. Dans ces conditions, la vitesse du son c = 352m/s. M Fréquence de coupure du pavillon (Vï)

_{Vc =} £ç ₌ 5352 _{= l4QHz} 4π 4.π ^m Fréquence de résonance dans le pavillon (M_r)

— = 88Hz

⁴^ correspond au mode fondamental de vibration du gaz. Ce mode est interdit car cette fréquence est inférieure à la fréquence de coupure du pavillon, soit 140 Hz. La fréquence de résonance la plus basse utilisable vaut donc 262 Hz.

Les calculs donnés ci-dessus ne sont applicables que lorsque le gaz se comporte en régime d'écoulement fluide et non pas en régime d'écoulement moléculaire par rapport à la géométrie de la pompe, c.à.d. que la distance moyenne entre deux collisions élastiques de molécules d'air (N₂ ou O₂) p.ex. doit être au moins deux fois et de préférence cent fois plus petite que la plus petite dimension géométrique caractéristique (d) de cette pompe nécessaire à son fonctionnement et ce inclus, l'amplitude de vibration (a) de la membrane d'excitation.

Il peut p.e. s'agir du diamètre de l'ouverture d'entrée, du diamètre local intérieur du pavillon, etc.

^β Caractérisation du type d'écoulement gazeux par le nombre de Knudsen

Kn Kn (voir p.e. : Foundations of Vacuum Science and Technology éd., by J.M. Lafferty, John Wiley & Sons, 1998 - ISBN N° O-471 -17593-5).

Kn = -

d = dimension géométrique (p.ex. diamètre d'une canalisation ou dimension minimale de passage pour les particules du gaz). λ = libre parcours moyen entre deux collisions élastiques de particules de gaz.

Pour l'air

(P en mbar, d en mm)

Régime moléculaire P.d(0,l33

Kn = ->0,5 d

Régime d'écoulement de transition 0,5)Kn)0,0l 0,\33(P.d(6,6

Régime d'écoulement strictement fluide ou Kn(0,0l P.d)6,6 continu Sur base de ces calculs, il a été possible d'établir le graphique suivant la figure 5 qui représente la variation de pression locale relative Δp/p₀ en fonction de la position dans le pavillon pour la valeur suivante des paramètres : μ = 5m^"1, L=1m, v = 300 Hz. Les dimensions géométriques de la pompe sont telles que Kn est toujours strictement inférieur à 0,5. Le régime moléculaire n'est donc atteint en aucun endroit de la pompe. Ainsi, il en est de même pour l'amplitude a de vibration de la membrane d'excitation 4 puisque pour a = 40 mm et à la pression la plus basse dans la pompe soit P = 0,01 mbar, on obtient une valeur de aP = 0,4 > 0,133 mbar.mm. Cette valeur indique que le régime de perturbation du gaz par le déplacement de la membrane n'est donc pas moléculaire.

Suivant l'invention, la pompe à vide est de préférence telle qu'elle doit au moins pouvoir réaliser un taux de compression total supérieur à 2 par étage à une pression inférieure à 1000 mbar. Un fort taux de compression, notamment supérieur à 2, signifie que l'amplitude de vibration de la membrane d'excitation est beaucoup plus élevée que lorsque le taux de compression est proche de l'unité.

Ceci est de première importance pour que la pompe puisse fonctionner à une pression inférieure à la pression atmosphérique et tout particulièrement en dessous de 10 mbar.

En effet, pour que la pompe, suivant l'invention, puisse fonctionner, il faut que le gaz se comporte comme un fluide.

Pour cela, il faut que le libre parcours moyen entre deux collisions élastiques de particules de gaz soit largement inférieur à la dimension géométrique caractéristique dans toute section de passage du gaz dans la pompe, c.à.d. l'enceinte de celle-ci dans laquelle on crée des ondes sonores, en particulier le diamètre hydraulique de la section de passage du gaz située entre la membrane d'excitation 4 et l'entrée du pavillon de l'enceinte 1. Ce libre parcours doit également être largement inférieur à l'amplitude de vibration de la membrane d'excitation.

Cette condition est naturellement remplie pour des pressions supérieures ou égales à la pression atmosphérique. Ceci n'est, toutefois, pas le cas pour des pressions relativement basses, p.e. inférieures à 1000 mbar où certaines précautions géométriques et plus généralement physiques, telles que l'amplitude de vibration de la membrane, doivent être prises pour éviter une sortie du régime fluide et surtout une entrée en régime d'écoulement moléculaire en certains endroits du corps creux de la pompe. Ceci est de toute première importance au voisinage de la membrane d'excitation.

Plus concrètement, il faut que la conductance soit maximale surtout à l'entrée de la pompe. Pour cette raison, la section de l'ouverture d'entrée à proximité de la membrane d'excitation doit être aussi grande que possible et ne peut pas être gênée par une vanne. Il faut que l'on obtienne immédiatement un régime d'écoulement fluide au niveau de la membrane et ceci jusqu'à l'ouverture de sortie. Ceci est donc surtout critique à proximité de l'ouverture d'entrée qui se trouve juste en amont de la membrane.

Ainsi, il s'est avéré, suivant l'invention, que les taux de compression envisagés par étage et bien entendu pour l'ensemble des étages raccordés en série, sont beaucoup plus élevés que ceux nécessaires aux applications thermo-acoustiques, comme p.e. dans US-A-5.295.79 , dont déjà question ci-dessus, dans l'introduction, à la description. Ainsi, dans la gamme de pressions comprises entre 0,01 mbar et 10 mbar, il faut un taux de compression maximal (à débit nul) d'au moins dix pour que la pompe à vide, suivant l'invention, puisse remplacer avantageusement un compresseur "Root" par exemple.

Avantageusement, un tel taux de compression est possible par l'application d'une amplitude de vibration de la membrane d'excitation élevée, de plusieurs millimètres à quelques centimètres, p.e. de 5 mm à 10 cm.

En particulier, le rapport de la longueur du libre parcours moyen λ entre deux collisions élastiques et l'amplitude de vibration a doit être inférieur à 0,5 et de préférence inférieur à 1 %.

Il en est de même pour le rapport entre λ et le diamètre hydraulique DH (égal à 4 fois l'aire de la section de passage du gaz dans le plan considéré, divisé par le périmètre de cette section), qui doit être strictement inférieur à 0,5 et de préférence inférieur à 1 % dans la gamme de pression d'utilisation de la pompe. Ce rapport est connu sous le nom de nombre de Knudsen.

Le fait d'utiliser un pavillon permet, par réduction de l'aire de passage du gaz de l'ouverture d'entrée jusqu'à l'ouverture de sortie de la pompe, d'augmenter le taux de compression de chaque étage de la pompe, d'autant plus que cette variation de section est importante. Cependant, dans ce cas, il faut que la fréquence de vibration de la membrane d'excitation soit plus élevée que la fréquence de coupure à partir et en dessous de laquelle la transmission d'une onde n'est plus possible dans le pavillon.

Le fonctionnement de la pompe en mode résonant a lieu à l'harmonique la plus basse qui est strictement supérieure à la fréquence de coupure du pavillon de manière à accroître le taux de compression en réduisant les forces d'inerties s'opposant au déplacement de la membrane. Pour cette même raison, cette dernière est constituée d'un matériau de faible densité et à forte résistance mécanique tel que par exemple un film polymère renforcé par des fibres de carbone. Ainsi, dans l'exemple concret donné ci- dessus, le mode de résonance fondamental de 87,5 Hz ne peut être utilisé étant donné qu'il est inférieur à la fréquence de coupure du pavillon qui, dans ce cas particulier, est de 140 Hz. Par contre, la première harmonique de chaque étage de la pompe, 262,5 Hz, peut avantageusement être mise à profit pour augmenter le taux de compression par la formation d'une onde sonore stationnaire.

Il est aussi important, comme déjà mentionné ci-dessus, que les raccords d'entrée et de sortie soient les plus courts possible et aient des sections aussi grandes que possible de manière à ce que leurs conduc- tances soient au moins 10 fois supérieures à la vitesse de pompage de la pompe.

Remarquons que, dans le cas où la pompe est à section transversale rectangulaire plutôt que circulaire et présente une variation d'aire de section identique suivant son axe, tout en conservant la longueur entre l'ouverture de sortie 3 et l'ouverture d'entrée 2, ainsi que l'aire de la membrane d'excitation 4, les performances des deux types de pompes sont équivalentes. Cependant, dans le cas où la membrane d'excitation 4 est rectangulaire, cette dernière peut avantageusement être constituée d'un film sandwich piézo-électrique soutenu par l'armature 5. La membrane forme dans ce cas une structure sandwich composée d'un assemblage de deux films PVDF pourvus d'un revêtement métallisé sur leurs deux faces préalablement à leur assemblage et solidarisés au moyen d'un adhésif conducteur de l'électricité. L'assemblage ainsi formé peut être mis en vibration en soumettant le revêtement conducteur central de la structure sandwich piézo-électrique à une variation de potentiel alternative par rapport au potentiel des revêtements métalliques des faces extérieures de la structure. Ce potentiel est, par ailleurs, de préférence celui de la masse du système. Pour que le système fonctionne correctement, les deux films piézo-électriques doivent être agencés de manière telle que, lorsqu'un film se dilate, l'autre se contracte et inversement, obligeant ainsi l'ensemble de la structure sandwich maintenue par l'armature 5 à prendre une courbure et à vibrer selon une direction perpendiculaire à son plan transversal à une fréquence égale à la fréquence électrique d'excitation.

Comme il résulte de ce qui précède, la pompe à vide suivant l'invention ne contient pas de pièces en rotation et ne nécessite, par conséquent, pas les précautions mécaniques qui sont nécessaires lors du montage d'une pompe à came. Ainsi, de par sa conception, la pompe suivant l'invention ne risque pas la destruction par contact de pièces en mouvement et l'entraînement de gaz de la sortie vers l'entrée de la pompe par adsorption sur des pièces mobiles. Par ailleurs, l'élément vibrant, formant l'organe moteur de la pompe à vide suivant l'invention, peut être de conception et de construction extrêmement variées. En général, toute pièce mobile légère pouvant être mise en vibration par un dispositif approprié quelconque, par exemple un dispositif électromécanique, électromagnétique, piézo-électrique ou magnétostrictif, peut convenir comme élément vibrant.

Un autre avantage de la pompe suivant l'invention par rapport aux pompes volumétriques connues est qu'elle ne nécessite pas de passage étanche mobile, sujet à la possibilité de fuites et de pertes énergétiques par frottement, de sorte qu'elle permet d'obtenir une réduction sensible de consommation énergétique par rapport aux pompes volumétriques actuelles. Enfin, contrairement à ce qui est le cas par exemple dans les pompes fonctionnant par entraînement volumétrique, elle ne nécessite pas de by- pass.

Il est bien entendu que l'invention n'est pas limitée aux différentes formes de réalisation décrites ci-dessus et représentées aux figures annexées, mais que bien des variantes peuvent être envisagées en ce qui concerne notamment la construction et la forme de l'enceinte 1 , de la valve 6 et des moyens de déplacement, notamment de l'élément vibrant, sans sortir du cadre de cette invention.

Ainsi, dans certains cas, l'enceinte peut avoir une section constante entre son ouverture d'entrée et son ouverture de sortie.

Claims

REVENDICATIONS

1. Pompe à vide constituée essentiellement d'un compresseur acoustique comprenant une enceinte (1 ) présentant, d'un côté, une ouverture d'entrée (2) pour le gaz à pomper et, du côté opposé, une ouverture de sortie (3) de ce gaz, au moins un élément vibrant (4) étant prévu à proximité de l'ouverture d'entrée (2) pour faire mouvoir ce gaz à partir de cette ouverture d'entrée (2) vers l'ouverture de sortie (3), caractérisée en ce que des moyens sont prévus pour soumettre l'élément vibrant (6) à une vibration avec une amplitude d'au moins deux fois et de préférence supérieure à cent fois le libre parcours moyen entre des collisions élastiques de particules de gaz dans l'enceinte(1 ), ce libre parcours moyen correspondant à la pression locale mesurée à proximité de cet élément vibrant pour permettre de créer, à une pression dans l'enceinte (1 ) comprise entre 10^~2 et 1000 mbar et plus particulièrement entre 0,01 et 10 mbar, des ondes sonores formant une succession de zones de compression et de dépression dans ledit gaz entre l'ouverture d'entrée (2) et l'ouverture de sortie (3).

2. Pompe suivant la revendication 1 , caractérisée en ce que l'enceinte précitée (1 ) présente une section transversale décroissante par rapport au sens de déplacement du gaz à partir de l'ouverture d'entrée (2) vers l'ouverture de sortie (3).

3. Pompe suivant la revendication 2, caractérisée en ce que l'enceinte précitée (1 ) présente l'allure d'un pavillon à section décroissante depuis l'ouverture d'entrée (2) du gaz jusqu'à l'ouverture de sortie (3) du gaz.

4. Pompe suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les moyens de déplacement précités (4) comprennent une membrane (4) s'étendant dans un plan transversal par rapport à la direction de déplacement du gaz entre les ouvertures d'entrée (2) et de sortie (3) de l'enceinte précitée (1 ).

5. Pompe suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les moyens de déplacement précités (4) comprennent un mécanisme de vibration électromécanique, électromagnétique, à capacité vibrante, piézo-électrique et/ou magnétostrictif.

6. Pompe suivant l'une quelconque des revendications 1 à

5, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un élément vibrant (4) à une fréquence inférieure à 20.000 Hz, de préférence comprise entre 20 et 5.000 Hz.

7. Pompe suivant l'une quelconque des revendications 1 à

6, caractérisée en ce que la distance séparant les ouvertures d'entrée (2) et de sortie (3) de l'enceinte (1) et la fréquence de vibration de l'élément vibrant (4) précité sont telles à pouvoir créer des ondes stationnaires dans le gaz contenu dans l'enceinte (1 ).

8. Pompe suivant l'une quelconque des revendications 1 à

7, caractérisée en ce que les moyens de fermeture précités (6) comprennent une valve de décharge (6) coopérant avec des moyens de commande permettant d'ouvrir la valve (6) lorsque la pression régnant dans l'enceinte (1 ) est supérieure à la pression de base en amont de l'ouverture d'entrée (2), et de fermer cette valve (6) lorsque cette pression est inférieure ou égale à la pression de base susdite, l'ouverture et la fermeture de cette valve (6) ayant de préférence lieu à une fréquence correspondant sensiblement à la fréquence de, ou inférieure dans un rapport entier à la fréquence de l'élément vibrant (4).

9. Pompe suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'une enceinte (1) du type précité s'étend de part et d'autre de l'élément vibrant, au moins une ouverture d'entrée (2) étant prévue à proximité de cet élément (4) de manière à permettre au gaz de pénétrer dans les deux parties de cette enceinte et de se propager vers l'ouverture de sortie de chacune d'elles.

10. Pompe suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que l'ouverture de sortie (3) d'une enceinte est raccordée à l'ouverture d'entrée (2) d'une enceinte agencée en série avec celle citée en premier lieu.

11. Pompe suivant l'une quelconque des revendications 1 à

10, caractérisée en ce que l'ouverture d'entrée (2) précitée débouche dans l'enceinte précitée à proximité de l'élément vibrant (4) et du côté de ce dernier orienté vers l'ouverture de sortie (3) de l'enceinte (1 ).

12. Pompe suivant l'une quelconque des revendications 1 à

11 , caractérisée en ce que des moyens de fermeture (6) de l'ouverture de sortie (3) sont prévus coopérant en synchronisme avec l'élément vibrant (4) d'une manière telle à dégager l'ouverture de sortie (3) au moment où la pression de gaz près de cette ouverture (3) est égale ou supérieure à celle près de l'ouverture de sortie.

13. Pompe suivant l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisée en ce que la distance entre l'ouverture d'entrée (2) et l'ouverture de sortie (3) est telle à pouvoir créer, au moyen de l'élément vibrant (4), une onde stationnaire à la fréquence de résonance dans le gaz la plus basse immédiatement supérieure à la fréquence de coupure dans l'enceinte (1 ).