COMPRENANT UN ENSEMBLE DE POMPES EN SERIES ET UN ELEMENT DE COMMUTATION COMMUN DESCRI PTION

Le sujet de l'invention est un dispositif de pompage comprenant plusieurs pompes en séries et un élément de commutation commun.

De tels ensembles de pompage comprennent plusieurs étages permettant d'améliorer le vide au sein d'une enceinte. Certains des étages nécessitent l'établissement d'un vide primaire préalable, afin d'opérer dans de bonnes conditions et d'alors améliorer la pression ultime dans l'enceinte. Par exemple, une pompe primaire opère sur une plage de 10 ⁺³ mbars (atmosphère) à 10 ^"3 mbar, tandis qu'une turbopompe opère dans la plage de 10 ¹ mbar à au-dessous de 10 ^"9 mbar. I l faut ainsi pomper la turbopompe avant de pouvoir l'opérer.

Afin d'améliorer le fonctionnement d'une telle pompe secondaire au démarrage et à l'arrêt du procédé de pompage et de gagner du temps, on peut avoir recours à un système de bipasse, qui permet d'isoler temporairement la turbopompe en fonctionnement pendant que la pompe primaire est utilisée, afin de réaliser un vide primaire dans l'enceinte à pomper.

On arrive alors au schéma de la Figure 1. La pompe primaire 1 est reliée à la pompe secondaire 2 par un premier conduit 4, la pompe secondaire 2 est reliée à l'enceinte à pomper 3 par un deuxième conduit 5, et les conduits 4 et 5 sont reliés directement entre eux par la bipasse 6. Des vannes 7, 8 et 9 sont établies respectivement sur le second conduit 5, le premier conduit 4 et la bipasse 6. Dans l'état de l'art connu, les installations sont fournies à partir d'éléments séparés et les vannes 7, 8 et 9 sont commandées indépendamment par des moyens différents.

L'objet de l'invention est d'améliorer de tels dispositifs en permettant une commande plus facile de la commutation entre l'état normal de pompage, où les pompes sont toutes actives simultanément, et l'état d'initialisation où la bipasse 6 est utilisée pour contourner la pompe secondaire 2 afin d'effectuer le prépompage de l'enceinte à pomper 3.

Sous une forme générale, l'invention est relative à un dispositif de pompage, comprenant au moins deux étages de pompes, l'un des étages comprenant au moins une pompe primaire et l'autre des étages au moins une pompe secondaire, la pompe primaire communiquant à une atmosphère et la pompe secondaire à une chambre ou enceinte à mettre en dépression par rapport à l'atmosphère, un conduit reliant la pompe primaire à la chambre par la pompe primaire et la pompe secondaire, une bipasse étant formée sur le conduit en contournant la pompe secondaire, la bipasse étant munie d'une vanne et le conduit étant muni de deux autres vannes de part et d'autre de la pompe secondaire, caractérisé en ce qu'il comprend une interface homme-machine comprenant une manette unique et un système de commande des vannes, la manette étant mobile alternativement entre deux positions principales et par au moins une position intermédiaire, les positions comprenant successivement une première des positions principales où la vanne de la bipasse est fermée et les deux autres vannes sont ouvertes ; la position intermédiaire, où la vanne de la bipasse est fermée, une première des deux autres vannes est fermée et une seconde des deux autres vannes est ouverte ; et une seconde des positions principales où la vanne de la bipasse est ouverte tandis que les deux autres vannes sont fermées.

L'invention repose sur la constatation qu'une commutation correcte entre les deux états principaux, dans un sens ou le sens inverse, peut être obtenue en effectuant une séquence invariable d'actionnement des vannes, et qu'il est alors avantageux, pour la simplicité de la manœuvre et la suppression des risques d'erreurs, de faire déprendre le séquencement immuable d'une seule manette.

La manette peut être conçue pour faire osciller le système entre les deux états principaux, les états intermédiaires étant transitoires, mais aussi, ce qui sera souvent préféré, pour arrêter le système à au moins certains des états intermédiaires voire tous ces états intermédiaires, puisque par exemple des maintenances des pompes peuvent être réalisées dans les états où ces pompes sont isolées. Le pompage peut pendant ce temps être poursuivi en contournant les pompes isolées, soit par la bipasse, soit par des branches de pompage parallèles quand elles existent.

La manette unique peut consister en un levier ou une poignée déplacée à l'une ou l'autre des positions de fonctionnement stable du système, en faisant passer le système successivement par tous les états prévus dans la séquence, en parcourant au moins une portion de celle-ci et, afin d'obtenir l'état souhaité de la séquence, en respectant l'ordre immuable des vannes à actionner. L'invention repose donc sur l'idée qu'il existe, pour de tels ensembles de pompage, une séquence d'états, qui peut être parcourue de manière immuable, sur des portions variables, qui dépendent du mode de fonctionnement souhaité, par une manette unique, qui simplifie le travail de l'opérateur, en le dispensant de recourir à des manœuvres complexes demandant de la réflexion, piusqu'il a seulement à déplacer la manette à l'état de l'ensemble qu'il souhaite pour commander successivement tous les modes intermédiaires ; il peut toutefois s'attarder à volonté sur chaque mode intermédiaire, s'il le juge utile, ce qui est un autre avantage de l'invention.

Les états principaux du système seront fréquemment aux positions extrêmes de la séquence, mais cela n'est pas non plus obligatoire, et les positions extrêmes de la commande pourront aussi être occupées par des états inhabituels du système.

Certaines réalisations particulières de l'invention seront maintenant décrites complètement, en liaison aux figures suivantes, qui sont données à titre purement ill ustratif :

- la Figure 1 illustre un dispositif de pompage sur lequel l'invention peut trouver emploi ;

- les Figures 2, 3 et 4 illustrent des dispositifs de pompage plus complexes ;

- la Figure 5 illustre un mécanisme de commande ; et

- la Figure 6 illustre une manette pouvant être associée à ce dispositif. Dans le cas simple de la Figure 1, le fonctionnement peut être résumé par le Tableau 1 (à la fin de cette description). L'état de bipasse (où la vanne 9 est seule ouverte) permet d'abaisser la pression de l'enceinte 3 à une valeur compatible avec un fonctionnement correct de la pompe secondaire 2, et l'état de prépompage (où la vanne 8 est seule ouverte) abaisse la pression dans la pompe secondaire 2 et lui permet de devenir ou de rester active. Le système est successivement commuté entre l'état de bipasse, l'état de prépompage et l'état normal (où les vannes 7 et 8 sont toutes deux ouvertes) et vice-versa.

Afin d'effectuer de la maintenance sur la pompe primaire 1 tout en maintenant le pompage secondaire sur l'enceinte 3, il est possible d'insérer un quatrième état, dit d'isolation, entre les états de prépompage et de bipasse. Ainsi que représenté dans le Tableau 2, cet état ouvre la vanne 7 et ferme les vannes 8 et 9. Dans ce cas, lorsque l'on transite de l'état de bipasse à celui d'isolation, il peut survenir un état transitoire lors duquel la pompe secondaire pompe son propre refoulement. Afin d'éviter cet état transitoire, mais aussi afin d'effectuer de la maintenance sur l'étage secondaire, on peut alors insérer, entre l'état de bipasse et celui d'isolation, un cinquième état, dit d'arrêt, dans lequel les vannes 7, 8 et 9 sont toutes fermées.

La séquence d'états décrite selon le Tableau 2 inclut la sous-section Bipasse -> Isolation. Dans ce cas, lorsque l'enceinte 3 est repompée par la pompe primaire 1 au moyen de l'état de bipasse, le passage a l'état d'isolation fait repomper l'enceinte 3 par la pompe secondaire 2 alors que le refoulement de la pompe secondaire 2 n'est pas assuré, ce qui pourrait, à terme, dégrader les performances de la pompe secondaire 3. Selon une autre alternative, qui maintient l'ordre immuable de commutation des vannes 7, 8 et 9, les états de pompage précédemment définis peuvent êtres agencés dans l'ordre suivant : Normal, Isolation, Prépompage, Arrêt, Bipasse. Cet ordre a l'avantage de placer les états principaux en positions extrêmes de la séquence d'états. En revanche, la séquence ainsi décrite inclut la section Isolation <-> Prépompage, qui implique le renversement logique des vannes 7 et 8 lors de ces deux états transitoires. Afin d'éviter l'usure des vannes, on peut déporter un des états principaux de la position extrême de la séquence d'états, par exemple Isolation, Normal, Prépompage, Arrêt, Bipasse. Cette séquence d'états permet d'éviter les désavantages potentiels précédemment évoqués concernant les séquences d'états décrites auparavant, et en partie résumées dans les Tableaux 1 et 2.

L'invention peut être mise en œuvre avec des dispositifs plus compliqués, tels que celui qui est représenté à la Figure 2 et comprend deux branches parallèles occupées par deux pompes secondaires 2 et 102 ; la pompe secondaire 102 supplémentaire est située à la jonction de deux dérivations 104 et 105 reliées aux conduits 4 et 5 principaux. Des vannes 107 et 108 sont situées respectivement sur les dérivations 105 et 104. Les pompes secondaires 2 et 102 peuvent être commandées de façon commune ou indifférenciée et les vannes 107 et 108 seront alors commandées en même temps que les vannes 7 et 8, selon les principes résumés dans le Tableau 1 ou 2. Des fonctionnements plus compliqués du dispositif sont toutefois possibles, tels que celui qui est résumé par le Tableau 3 (O : vanne ouverte ; F : vanne fermée). L'état 1 est un état normal de pompage, les deux branches correspondant aux deux pompes secondaires 2 et 102 étant ouvertes et la bipasse 6 étant fermée ; l'état 2 est un état où la première branche est isolée et peut être ventilée, la seconde branche continuant le pompage de l'enceinte 3 ; l'état 3, un état où seules les vannes 8 et 107 sont ouvertes, la première branche subit un prépompage par la pompe primaire 1 et la seconde branche communique à l'enceinte 3, sans gavage de la pompe primaire 1 ; l'état 4 est un état d'isolation de l'enceinte 3 et de prépompage des deux pompes secondaires 2 et 102 ; les états 5 et 6 sont des états où l'état 5 est symétrique de l'état 3 (la première branche communique à l'enceinte 3 et la seconde est prépompée), et où l'état 6 correspond à une isolation de la seconde branche, pour ventilation et à un pompage de l'enceinte 3 par la pompe secondaire 2 sans pompage du refoulement par la pompe primaire 1 ; l'état 7, symétrique de l'état 2, est un état où la première branche est ouverte et participe au pompage de l'enceinte 3, et la seconde reste isolée et peut être ventilée; l'état 8 est un état où l'enceinte 3 est isolée, la seconde branche isolée aussi et la pompe primaire 1 effectue le prépompage de la pompe secondaire 2 ; enfin l'état 9 est l'état de pompage par la bipasse 6, les deux branches étant isolées. De telles successions d'étapes permettent de choisir si l'enceinte 3 est pompée par l'une ou l'autre des deux branches de l'enceinte secondaire, ou encore par les deux simultanément. Certains états du dispositif permettent l'isolation de l'enceinte 3 ou encore de chacune des deux branches de l'étage secondaire, permettant la ventilation de celles-ci avant le prépompage, tout en préservant l'état de pompage des éléments restants des dispositifs de pompage. Cette succession d'étapes est donnée à titre purement illustratif, bien d'autres étant possibles entre les états extrêmes qui correspondent aux fonctionnements les plus normaux, selon les états transitoires qu'on veut obtenir.

Un avantage de l'invention est plus généralement que les états intermédiaires, correspondant à l'isolement de l'une ou l'autre des pompes, peuvent facilement être atteints. Dans ces états d'isolement, les pompes ne participent pas au pompage et sont fermées au moins du côté de l'atmosphère, tout en pouvant éventuellement être ouvertes du côté de la dépression. Le pompage continue avec les autres pompes du dispositif, alors que la pompe isolée peut être soit laissée au repos, pendant qu'on établit un vide partiel dans l'enceinte, ou être soumise à une opération de maintenance.

D'autres dispositifs plus complexes sont représentés aux Figures 3 et 4 et illustrent plus de deux étages de pompes en série, une pompe tertiaire 10, voire une pompe quaternaire 11 étant ajoutées au dispositif de la Figure 1. Le deuxième conduit 5 ne mène plus alors à l'enceinte 3, mais à la pompe tertiaire 10. Un troisième conduit 12 relie la pompe tertiaire 10 à la pompe quaternaire 11 ou à l'enceinte 3. Un quatrième conduit 13 relie éventuellement la pompe quaternaire 11 à l'enceinte 3.

Chacune des pompes tertiaire 10 et quaternaire 11 peut être isolée par des vannes supplémentaires, respectivement 14, 15, 16 et 17. La bipasse, maintenant référencée par 20, comprend alors autant de portions que de pompes intermédiaires, à savoir une première portion 21 contournant la pompe secondaire 2 et identique à la bipasse 6 de la réalisation de la Figure 1, une seconde portion 22 contournant la pompe tertiaire 10 et la troisième portion 23 contournant la pompe quaternaire 11. Chacune des portions aboutit à la ligne principale de circuit de pompage de part et d'autre de la pompe intermédiaire qu'elle contourne, mais les portions 21, 22 et 23 sont toutes en communication, de manière à permettre de relier directement la pompe primaire 1 à l'enceinte 3. Chacune des portions 21, 22 et 23 est pourvue d'une vanne 24, 25 ou 26 identique à la vanne 9.

Les Tableaux 4 et 5 représentent des états possibles successifs de commutation de ce dispositif.

Dans ce genre de dispositif à plusieurs branches parallèles, il est donc avantageux de prévoir des états intermédiaires où chacune des branches est isolée, ces pompes ne participant pas au pompage, alors que les autres branches restent actives mais la bipasse 6 reste fermée.

Dans ce genre de dispositif, à au moins trois étages de pompes, il est avantageux que la bipasse soit composée de portions, chacune parallèle à l'une des pompes secondaires (appelées ici pompe secondaire, tertiaire, quaternaire, etc.) et qui contourne la pompe en question, la bipasse étant toutefois unitaire puisque ses portions sont en prolongement ; les vannes soient placées de façon à permettre de fermer individuellement chacune des portions de la bipasse et d'isoler chacune des pompes secondaires ; des conduits de communications relient les portions de bipasse aux portions de conduits de part et d'autre des pompes secondaires. Dans une telle configuration, la séquence de commande peut comprendre des états intermédiaires permettant d'isoler chacune des pompes secondaires tout en ouvrant la portion du bipasse correspondante, le pompage se poursuivant par les autres pompes secondaires et la pompe primaire, et les autres portions de la bipasse étant fermées. Il est alors possible d'arrêter une des pompes, tout en poursuivant le pompage avec des caractéristiques peu altérées, puisqu'une seule des pompes est à l'arrêt.

Le Tableau 4 résume un comportement du système de pompage au cours duquel la pompe secondaire 2 pompe sur la pompe tertiaire 10 afin que la pompe 10 puisse pomper sur l'enceinte 3. S'il est nécessaire de pomper l'enceinte 3 au moyen de la pompe tertiaire 10 sans l'apport de la pompe secondaire 2, il suffit d'inverser ces rôles respectifs. Afin d'obtenir les états de fonctionnement correspondants, il suffit d'étendre le Tableau 4 de façon à les faire apparaître au-delà de l'état normal. Ceci est représenté dans le Tableau 6. Une telle extension peut aussi être envisagée pour le Tableau 5 concernant les pompes secondaire, tertiaire et quaternaire. De façon générale, les Tableaux 3, 4, 5 et 6 sont fournis a titre illustratif de la portée de l'invention. En effet, et ainsi que décrit dans le cas de la Figure 1 et des Tableaux 1 et 2 correspondants, il est possible d'éviter certains désavantages potentiels (par exemple le pompage d'un étage de son propre refoulement ; ou encore le suractionnement de vannes lors du passage d'un état principal a un autre via un ou plusieurs états intermédiaires) en insérant des états intermédiaires supplémentaires et/ou encore en altérant la séquence d'états.

L'invention s'applique de la même façon avec des branches parallèles et une bipasse complètement séparées et aboutissant à l'enceinte à pomper par des piquages séparés, au lieu d'un piquage unique comme on l'a représenté. Elle s'applique aussi à un ensemble mixte, parallèle et série, les branches pouvant être différentes les unes des autres, avec par exemple une branche composée de deux étages de pompage (secondaire et tertiaire), et l'autre, en parallèle à la première, composée d'un étage de pompage secondaire.

Un mode de commutation immuable étant envisageable, il peut dépendre d'une manette unique disposée sur une interface de commande par un opérateur. Cette manette est mobile dans un mouvement de va-et-vient, la faisant passer par tous les états de la séquence. Elle peut être tournante, rotative ou translative. Elle est avantageusement munie d'index qui décrivent les différents états atteints. L'interface de commande peut être électrique, mécanique ou pneumatique. Une interface mécanique pourrait comprendre un tiroir muni de cames parallèles, actionnant respectivement chacune des vannes. Une interface électrique pourrait comprendre des interrupteurs commandés par un contact établi sur la manette. Une multitude de solutions est possible pour l'homme du métier.

En variante, la commande manuelle directement opérée par l'utilisateur peut être remplacée par une interface à boutons ou moyens équivalents comprenant la possibilité de choisir l'état dans lequel doit se trouver l'ensemble de pompage. Selon le choix de l'utilisateur et l'état actuel de pompage, un automate enclenche la série d'états successifs, obtenus pour chaque état selon la même séquence d'actionnement de vannes, permettant d'obtenir l'état final souhaité. Dans ce cas aussi, une séquence immuable d'états des vannes est parcourue dans un sens ou dans l'autre.

Les états principaux ou habituels du système seront souvent les états extrêmes de la séquence, mais il sera en général possible d'arrêter la commande à certains au moins des états intermédiaires, qui seront alors stables plutôt que transitoires. Les états stables de la séquence seront définis par construction de la manette de commande. On supposera ici que tous les états de la séquence pourront être commandés de façon stable.

Il est à noter que les états principaux du système ne sont pas nécessairement aux extrémités de la séquence de commande, mais que des positions particulières peuvent être ajoutées aux extrémités de cette séquence, plutôt que comme positions intermédiaires.

Un dispositif concret sera maintenant décrit. On se reporte pour cela aux Figures 5 et 6.

La figure 5 représente le schéma électrique de commande des vannes 7,

8 et 9 du mode de réalisation de la Figure 1 selon la logique de séquence d'états et d'actionnement immuable de vannes du Tableau 2. La vanne 7 est commandée par un double solénoïde 36 et 37 dont le premier commande son ouverture et le second sa fermeture, la vanne 7 étant à fonctionnement bistable ; et des solénoïdes 38 et 39 simples commandent les vannes 8 et 9, et précisément leur ouverture quand ils sont excités, ces vannes étant fermées au repos (monostables).

Des interrupteurs 30, 31, 32 et 33 commandent respectivement l'enclenchement du mode normal, du mode de prépompage, du mode d'arrêt (isolation) et du mode de bipasse, définis d'après le Tableau 2. Une source de tension continue 34 s'étend d'un côté de ces interrupteurs 30 et 33, et de l'autre côté on trouve des lignes électriques passant par les solénoïdes 36 à 39 et aboutissant à une masse 35.

Ouand l'interrupteur 30 est fermé, le mode normal est enclenché, et le courant électrique s'écoule de la source 34 à la masse 35, en passant par des lignes 40 et 41 qui traversent les solénoïdes 36 et 38 d'ouverture des vannes 7 et 8. Quand l'interrupteur 31 est fermé, le mode de prépompage est enclenché et le courant s'écoule encore par la ligne 41 pour maintenir l'ouverture de la vanne 8, mais il s'écoule aussi par la ligne 42, passant à travers le solénoïde 37, ce qui commande la fermeture de la vanne 7.

Quand l'interrupteur 32 est fermé, un mode d'arrêt (isolation) est enclenché, du courant repasse par la ligne 40 et rouvre la vanne 7, ce qui met la pompe secondaire 2 en communication avec l'enceinte 3. Cet état permet d'isoler la pompe primaire 1 et d'y faire une maintenance par exemple, tout en continuant de pomper l'enceinte 3 par la pompe secondaire 2. En passant de l'état de bipasse décrit ci-dessous à cet état-ci, il existe pourtant un risque d'étouffer la pompe secondaire 2, en fonction de la pression résiduelle et du volume dans l'enceinte 3. Si ce risque existe, on pourrait choisir d'isoler, dans la séquence d'états, cet état de l'état bipasse au moyen d'un cinquième état dans lequel toutes les vannes 7, 8 et 9 seraient fermées, et qui aurait l'avantage d'isoler aussi la pompe secondaire 2 pour pouvoir y faire aussi de la maintenance.

Enfin, quand l'interrupteur 33 est fermé, le mode de bipasse est enclenché, du courant repasse dans la ligne 42 pour refermer la vanne 7 et dans une ligne 43 passant par le solénoïde 39 pour ouvrir la vanne 9.

Les lignes 40, 41, 42 et 43 sont interrompues par des interrupteurs 44 qui sont des moyens logiques pour, en relation avec l'état d'ouverture ou de fermeture des vannes 7, 8 et 9, autoriser le passage effectif des courants dans ces lignes en respectant forcément le séquencement demandé.

Chacun des interrupteurs 30 à 33 mène encore à la masse 35 par des dérivations comprenant des lampes témoins respectives 45, indiquant le mode sélectionné. Des témoins d'ouverture des vannes et des témoins de bonne exécution de chacun des modes peuvent aussi être ajoutés.

La figure 6 montre que le dispositif de commande peut consister en une manette 46 sous forme d'un bouton moleté tournant autour d'un axe central et comprenant un contact inférieur 47 apte à frotter successivement sur les interrupteurs 30, 31, 32 et 33 sous-jacents pour les fermer. Des index 48 placés devant les interrupteurs 30 à 33 et sur le contact 47 indiquent visuellement les états atteints. Une butée 49 peut limiter le mouvement angulaire du bouton.

On a décrit jusqu'à présent une manette 46 dont le mouvement commande successivement chacun des états de la séquence, de façon explicite pour leur Opérateur. Cela ne serait toutefois pas nécessaire, et il serait possible d'utiliser une manette, qui commanderait explicitement certains états seulement de la séquence, les autres étant des états transitoires parcourus automatiquement.

Le dispositif de la Figure 5 pourrait être complété par une portion de commande à quatre boutons 50, 51, 52 et 53, d'appel de chacun des modes, connectés à un automate 54, qui commanderait successivement les interrupteurs 30, 31, 32 et 33, selon la séquence nécessaire, par des moyens logiques et des actionneurs, en respectant les états transitoires nécessaires.

TABLEAU 1

TABLEAU 2

Etat de pompage— > Normal Prépompage Isolation Bipasse

Etat des vannes— >

Vanne

i

7 (x 1) Ouverte Fermée Ouverte Fermée

8 (x 2) Ouverte Ouverte Fermée Fermée

9 (x 3) Fermée Fermée Fermée Ouverte

TABLEAU 3

TABLEAU 4

Pompage Pompage Isolation

Etat de pompage secondaire, secondaire, secondaire, Bipasse

Normal

→ Isolation Bipasse Bipasse complète tertiaire tertiaire tertiaire

7 0 0 0 F F

8 0 0 0 0 F

24 F F F F 0

14 0 F F F F

15 0 0 F F F

25 F F 0 0 0 S52615 QTJCI-P

TABLEAU 5

S52615 QTJCI-P

TABLEAU 6