La science derrière les clapets des pompes à membrane

Immersion sur le comportement des clapets flexibles lors du fonctionnement des pompes à membrane

On sait que les clapets ont une influence significative sur le rendement, la performance et la fiabilité des pompes et des compresseurs en réduisant la consommation d’énergie, en améliorant le processus de compression, en prévenant les dommages potentiels et en améliorant la performance globale du système. Ils sont également importants pour la réduction du bruit. Leur comportement dynamique dans les petites pompes à vide, telles que les pompes à membrane, a cependant été moins étudié que dans les grands compresseurs. En collaboration avec l’université de technologie de Graz, KNF a développé une méthode pour mesurer la dynamique des clapets dans les pompes à membrane, ce qui n’était auparavant possible qu’avec des compresseurs beaucoup plus grands.

Utilisation d’un vibromètre Doppler à laser pour mesurer avec précision la dynamique d’un clapet

Le dispositif d’essai, soigneusement conçu pour minimiser les interférences et garantir une évaluation précise des caractéristiques dynamiques des clapets, est conforme aux méthodes normalisées ISO 21360 pour la mesure des performances des pompes à vide et comprend un banc d’essai éprouvé de KNF qui permet un réglage individuel des pressions d’entrée et de sortie afin de maintenir un point de fonctionnement stable. Pour préparer les tests, une série spéciale de pompes KNF a été modifiée avec une fenêtre acrylique transparente scellée par des joints toriques. La préparation comprenait également l’application d’un spray acrylique argenté réfléchissant sur la surface normalement non réfléchissante du clapet. Pour maintenir la précision de cette méthode, il est essentiel que le revêtement ne modifie pas de manière significative la masse ou les propriétés dynamiques des clapets, même lorsqu’elles sont mesurées sur une échelle analytique à haute résolution. En outre, les moteurs BLDC développés par KNF permettent d’ajuster la vitesse du moteur de la pompe à vide afin d’effectuer des mesures dans des conditions d’utilisation variables.

Ces modifications permettent ensuite à la lumière d’un vibromètre Doppler à laser de passer à travers et de mesurer la vitesse des clapets. En évaluant leur comportement, ces mesures fournissent des informations précieuses sur les points d’ouverture et de fermeture des clapets, la vitesse d’impact et d’autres valeurs liées à la position de la bielle. Outre ces données, le banc d’essai permet également d’enregistrer le débit massique, la température et la pression. Comme la pompe à membrane fonctionne avec de l’air pendant les mesures, les données environnementales telles que la pression, la température et l’humidité sont également enregistrées.

Le comportement dynamique des clapets a été évalué à trois régimes différents – 700 tr/min, 1500 tr/min et 3000 tr/min – dans une variété de conditions dans des applications de vide et de pression avec une pression de sortie maximale limitée à 2 bar abs. Lorsqu’elle est utilisée dans un environnement sous vide, le côté refoulement de la pompe est relié à l’air ambiant, ce qui entraîne une pression de sortie égale à la pression ambiante. Dans les applications sous pression, le côté aspiration de la pompe est relié à l’air ambiant.

Vitesse de rotation et rapport de pression : Principaux facteurs d’influence sur le fonctionnement des clapets et la déformation des membranes

L’analyse des mesures prises après environ deux heures de fonctionnement a permis de faire plusieurs constatations importantes. L’une des observations les plus remarquables est que les points de fermeture des clapets d’aspiration et de refoulement sont principalement influencés par la vitesse de rotation et moins par le rapport de pression – la pression absolue à la sortie par rapport à la pression à l’entrée. En revanche, les points d’ouverture du clapet sont davantage influencés par le rapport de pression que par la vitesse de rotation.

En outre, on observe que les clapets touchent la butée presque immédiatement après leur ouverture et qu’elles présentent des gradients de célérité élevés. Cependant, l’apparition de rebonds ou d’oscillations intermédiaires – un phénomène courant dans la plupart des clapets – était minime, ce qui est une caractéristique importante d’un clapet bien conçu. Un examen approfondi des différents rapports de pression montre une diminution de l’activité du clapet depuis la pression atmosphérique jusqu’au vide final. Au point de vide final, le mouvement des clapets est minime, ce qui indique qu’ils sont restés fermés.

Les connaissances acquises grâce à ces observations représentent une avancée significative dans la compréhension de la dynamique complexe du fonctionnement des clapets dans un système de pompe à membrane. En particulier, des facteurs tels que la vitesse de rotation et le rapport de pression jouent un rôle clé dans la détermination des points de fermeture et d’ouverture du clapet et de son comportement ultérieur. En outre, l’influence de la différence de pression sur la déformation élastique de la membrane ajoute une couche supplémentaire à la dynamique complexe en jeu. KNF intégrera ces résultats dans d’autres recherches et innovations et est fier que le document présenté par l’assistant de recherche de l’université de technologie de Graz lors de la 13e conférence internationale sur les compresseurs et leurs systèmes, qui s’est tenue à Londres, ait été reconnu et ait remporté le prix du « Meilleur document d’étude ».