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L'invention, due à Messieurs Pierre ROUBEAU, Jean-Marie GARIN et Pierre PRUGNE, est relative aux robinets pour contrôler de façon précise de faibles débits gazeux, dans le but par exemple d'alimenter de façon réglable en gaz des sources dtions, 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.
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Elle consiste, principalement.;, à faire comprendre essentiellement à de tels robinets un corps tubulaire percé d'un orifice formant siège de clapet au voisinage 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 donnée 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 partiellement ledit corps d'une façon réglable.
Il convient de rappeler préalablement que le problème 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 travers des substances appropriées telles que le palladium pour l'hydro- gène, 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 comman- dés par un agent physique aisément mesurable et provoquant des phénomènes reproductibles.
0'est ainsi que, dans les robinets du genre en question utilisés jusqu'à ce jour, on a utilisé le défaut d'étanchéité entre deux corps rugueux mis en contact, ou encore la dilatation relative de deux pièces telles que le
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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 proscrire, 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 refroidissement à une température déterminée, au-dessous 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 déplace- ment de l'une par rapport à l'autre étant obtenu par une dilatation différentielle de leurs supports, portés à des températures différentes ; mais, pour les très faibles débits, la commande de ces appareils 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 désirer.
Pour remédier à ces inconvénients, on munit prin- cipalement ces robinets, conformément à l'invention, de moyens mécaniques permettant d'effectuer le réglage de leur "zéro", c'est-à dire d'assurer leur fermeture de façon étan- che à n'importe quelle température donnée.
D'une faqon générale, lesdits robinets sont essen- tiellement constitués par un corps tubulaire muni au voisinage de l'une de ses extrémités axiales d'un orifice formant siège de clapet et par un pointeau dont l'extrémité libre est propre à être adaptée de façon étanche sur ledit siège et dont
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l'autre extrémité est solidaire dudit corps ; les susdits moyens sont alors agencés de façon à modifier mécaniquement la dimension axiale dudit corps tubulaire.
En se référant aux figures schématiques 1' à 5 ci- jointes,on va décrire ci-après divers exemples, donnés à titre non limitatif, de mise en oeuvre d'un robinet conforme à l'invention. Les dispositions de réalisation qui seront décrites à propos de ces exemples devront être considérées comme faisant partie de l'invention, étant entendu que toutes dispositions équivalentes pourront aussi bien être utilisées sans sortir du cadre de celle-ci.
La fig. 1"représente en coupe axiale un robinet du type à pointeau, à commande mécanique et thermique, établi conformément à l'invention.
La fig.2 représente le même robinet en vue perspective.
Et les fig. 3 à 5 sont des graphiques illustrant quelques résultats d'expérience obtenus avec des robinets semblablement établis,
Seuls ont été représentés sur les fig. 1 et 2. les organes nécessaires à la compréhension de 1''invention ; les éléments correspondants de ces deux figures portent des nombres de référence identique.
Le robinet représenté fig. 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 dilata- tion linéaire, et suffisamment déformables élastiquement et/ou conducteurs de la chaleur, tels que les métaux et alliages.
Le pointeau est foré sur une portion de sa longueur par un canal longitudinal 4 élargi vers son extrémité pour
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former un premier ajutage 5 ; ce canal 4 débouche par deux ouvertures latérales 6 et 7 dans la cavité médiane ,6 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 évidement formant un deuxième ajutage 10.
Le corps 3 du robinet est enserré longitudinalement 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'une 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 amincies en
16, 17 et 18 15/, de façon à être facilement déformables. Elles sont entou- rées dans leur partie médiane par une ceinture 19 dont le degré de serrage peut être réglé par vissage d'une vis 20 dont l'axe est perpendiculaire à celui du corps 3.
On concoit que les rotations des vis 14 et 20 se traduisent chacune par une modification de la dimension longitudinale du corps 3 '(qui doit être constitué 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 soudure 2 par rapport au siège 9 et donc le pointeau 1 et sa pointe 21 par rapport audit siège, ce qui permet 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 dégagée entre siège 9 et pointe 21.
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En d'autres termes on règle l'ouverture du robinet en agissant sur les vis 14 et 20, les rotations de la vis 14 pouvant servir aux réglages de dégrossissage et celles de la vis 20 aux réglages de finition (un tour de la première vis se traduisant par un déplacement du pointeau plusieurs dizaines de fois supérieur 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 enroule autour du corps 3 un fil 22 résistant au courant éle.ctrique et isolé de façon connue, propre à fournir une quantité de chaleur pour dilater ledit corps. Pour disposer d'un meilleur gradient de température, 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 chaleur), est également modifiée mais, 1'.apporta de chaleur étant effectué dans la région du siège 9, un gradient de température proportionnel au flux thermique s'établit dans le robinet, du siège 9 au pointeau 1 en passant par la soudure 2, la pointe 21 du pointeau 1 demeurant à la température la plus froide.
Le pointeau 1 subit donc une dilatation moins importante que celle du corps 3, ce qui entraine un décolle- ment de la pointe 21 par rapport au siège 9 et donc l'ouverture du robinet.
Le phénomène inverse se produit lorsque l'on arrête
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le chauffage : les températures du pointeau et du siège stégalisant rapidement, l'extrémité 21 du pointeau 1 s'appli- que à nouveau sur le siège 9, interdisant ainsi toute commu- nication entre les ajutages 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, celui-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 pointeau 1 dans le corps 3 et en suivant l'opération à la loupe binoculaire jusqu'à ce que la pointe apparaisse. On procède alors sous une très faible pression à l'agrandissement de l'ouverture et à son rodage en utilisant successivement les matières abrasives connues sous les dénominations de rouge d'Angleterre 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 Au-dessous de 100 , la membrane est trop flexible et se déplace avec le pointeau ; de plus, sa résistance devient alors très faible et l'éclate- ment du siège peut se produire sous un choc ou lors d'un refroidissement brutal du robinet. Au-dessus de 300 ,le percement de l'orifice devient difficile et la membrane n'a plus l'élasticitié suffisante pour absorber sans.déformation permanente, soit un serrage excessif de la vis de réglage, @ soit un refroidissement brutal du corps.
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La longueur du robinet est de 80 millimètres et son diamètre extérieur de huit millimètres. Pour ces dimen- sions, le jeu diamétral entre le siège et la pointe 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 surface 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 .
Q =K1 P @ 2 d/e en régime moléculaire, et : Q = K2 P2#3 d/e 2 e en régime laminaire, avec : Q débit pondéral, P pression en amont du robinet, jeu diamétral entre siège et pointe, d diamètre moyen de l'orifice, e épaisseur de la membrane, K1 et K2 constantes.
Les courbes de la fig. 3 montrent l'influence du jeu diamétral ± (porté en ordonnées en microns suivant une échelle logarithmique) sur le débit Q (porté en abscisses en centimètres cubes par heure suivant une échelle logarith- mique) d'air ou d'hydrogène traversant divers robinets établis conformément à l'invention.
La courbe I est relative à un tel robinet soumis à une pression dtair de 1 atmosphère, les courbes II et II', à un autre robinet soumis respectivement à une pression d'air de
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@ 1 atmosphère et à une pression d'hydrogène de 1 atmosphère, la courbe III, à encore un autre robinet soumis à une pression d'hydrogène 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 indiqué 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 les courbes en traits interrompus correspondant au cas où le gaz contrôlé est de l'hydrogène (H) et celles en trait plein au cas où ledit gaz est de l'air (A).
Le jeu diamétral choisi était de :
0,125 micron pour les courbes A1 et H1
0,4 'micron. pour les courbes A2 et H2
1 micron pour les courbes A3 et H3 et 2,4 microns pour les courbes A, 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 figure a été tracée avec le robinet corres- pondant à la courbe II de la fig. 3 soumis à une pression d'hydrogène de quatre atmosphères.
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Les divers paramètres utilisés ont été successive- ment (de gauche à droite sur la figure 5) : - l'intensité i du courant traversant l'enroulement 22, en ampères (échelle logarithmique) ; - la différence de température 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 Ó de la vis de réglage 14 en degrés ; - la puissance de chauffage W, en watts, lorsque le robinet est logé dans sa cage ; - et le jeu diamétral Gen microns.
A la fermeture, le robinet ne présente aucune fuite appréciable.
La manoeuvre de l'appareil exige peu d'énergie : en particulier elle ne nécessite qu'un couple de faible valeur (de l'ordre de 200 grammes-centimètre 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'indique la fig. 5).