Pompes à déplacement positif

Qu’est-ce qu’une pompe à déplacement positif ?

Les pompes à déplacement positif déplacent mécaniquement les volumes de fluide piégés dans le système. Du côté de l’aspiration, le volume se dilate, tandis que du côté du refoulement, il se contracte. Le volume par tour est donc fixe et théoriquement constant, indépendamment de la pression de sortie, du vide d’entrée ou des propriétés du fluide. Les pompes volumétriques sont également auto-amorçantes, ce qui crée un vide important à l’entrée. Cela peut simplifier la conception globale du système et permettre une maintenance sans réamorçage manuel.

Le comportement des pompes volumétriques est considérablement différent de celui des pompes centrifuges, qui dépendent de l’impulsion du fluide accéléré pour fournir un débit sous pression et sont très sensibles aux variations de pression. Le graphique de droite compare une pompe à engrenage externe (pompe volumétrique commune) et une pompe centrifuge utilisant un moteur de même taille. Si les pompes centrifuges peuvent atteindre des débits considérablement plus élevés, elles sont extrêmement sensibles à la pression.

Graphique du débit des pompes centrifuges DPP par rapport aux pompes à engrenages de précision

L’indépendance des flux par rapport à la pression n’est que théorique. La flexion des matériaux, les fuites internes (“blow-by”), l’usure et d’autres variables entraînent une légère dépendance de la pression. Le degré de dépendance à la pression est fonction du type de pompe ainsi que de la précision des composants de la pompe. Lors du choix d’un type de pompe, un compromis doit souvent être fait entre la précision, la durée de vie et la réponse du système. Les aspects négatifs de ce compromis peuvent être minimisés en travaillant en étroite collaboration avec le concepteur de la pompe et en utilisant des composants de haute précision et de qualité.

Les pompes volumétriques peuvent être divisées en deux sous-catégories qui ont des caractéristiques et des applications très différentes.

• Réciprocité
• Rotary

Pompes à déplacement positif

Les pompes volumétriques à piston fonctionnent par le mouvement linéaire répété d’un mécanisme. Ce mouvement est souvent appelé “course” et la taille d’une pompe est souvent spécifiée comme le volume par course. Le profil du débit est pulsé en raison du débit unique par tour d’une pompe alternative. S’il est mal mis en œuvre, le débit pulsé peut causer des vibrations excessives et/ou des dommages au système hydraulique, parfois appelés “coup de bélier”. Le débit pulsé provoque également des pics de débit plus élevés que le débit moyen, ce qui nécessite une conception minutieuse du circuit hydraulique. Les pompes à piston sont idéales pour le dosage précis et répétable des fluides. Les types de pompes à piston les plus courants sont

• Pompe à diaphragme
• Pompe à piston
• Pompe à piston

Pompe à membrane

Une pompe à membrane utilise une membrane flexible (souvent appelée diaphragme) qui fléchit vers l’intérieur et vers l’extérieur. Le mouvement de la membrane modifie le volume interne de la pompe et, lorsqu’elle est couplée à des valves, permet au fluide de s’écouler dans la pompe et de la quitter. Les pompes à membrane sont idéales pour le vide, l’air et les fluides corrosifs à basse pression.

Exemples de clapets anti-retour dans une pompe à membrane

Pompe à piston

Dans une pompe à piston, le piston coulisse dans un cylindre bien ajusté. Lorsque le piston se rétracte, le volume se dilate. Généralement, une soupape à l’entrée s’ouvre, permettant au fluide de pénétrer dans la pompe lorsque le volume se dilate. Lorsque le piston s’inverse, le volume se contracte, et une valve sur la sortie s’ouvre, permettant au fluide de sortir de la pompe.

Schéma DPP pompe à piston

Pompe à piston sans soupape

Cette version spéciale de la pompe à piston est sans clapet et est parfois appelée pompe doseuse sans clapet. Les pompes ont un mouvement linéaire sinusoïdal couplé à une rotation de 360° du piston. Le piston a un méplat à son extrémité qui ouvre/fermeture les orifices d’entrée et de sortie synchronisés avec le mouvement du piston. Ce type de pompe élimine les vannes, qui peuvent s’user et coller, et simplifie grandement la conception globale.

Pompe à piston sans clapet DPP

Pompe à piston

Une pompe à piston fonctionne de manière presque identique à une pompe à piston. La différence est que le piston plongeur se déplace à travers un joint dans le volume de la pompe. Le volume déplacé du piston modifie le volume de liquide à l’intérieur de la pompe, ce qui entraîne une action de pompage.

Diagramme DPP de la pompe à piston

Pompes rotatives à déplacement positif

Les pompes rotatives à déplacement positif utilisent une série de volumes rotatifs pour transférer les fluides plutôt que le mouvement linéaire des pompes à mouvement alternatif. Les éléments rotatifs assurent l’étanchéité contre le corps de la pompe ou contre d’autres éléments rotatifs. En général, il y a plusieurs volumes par tour, ce qui permet d’obtenir un débit beaucoup plus régulier que celui des pompes à mouvement alternatif. Cependant, les volumes ne sont généralement pas aussi précis que ceux des pompes à piston, ce qui les rend moins adaptées aux applications de dosage ou de distribution. Les types de pompes volumétriques rotatives les plus courants sont:

• Pompes à engrenages externes
• Pompes à engrenages internes
• Pompes à palettes
• Pompes péristaltiques
• Pompes à lobes

Pompe à engrenage externe

Les pompes à engrenages externes sont les plus simples et les plus courantes des pompes à engrenages rotatifs. Elles comportent généralement deux engrenages sur des arbres séparés, dont l’un est relié à un moteur. Le désengrenage des engrenages crée un vide à l’entrée de la pompe. Lorsque les engrenages tournent, le fluide est emprisonné entre les dents des engrenages et la paroi de la cavité du carter. Il est ensuite tourné vers la sortie et évacué. Le fluide ne peut pas refluer vers l’entrée à cause de l’engrènement des engrenages et doit donc être évacué par la sortie. Le fluide pompé lubrifie l’engrenage et les paliers lisses associés.

Cycle de la pompe à engrenages externes du DPP

Pompe à engrenages internes

Les pompes à engrenages internes utilisent des engrenages de différentes tailles avec un nombre de dents différent, dont l’un a des dents internes. Les engrenages sont excentrés par rapport au corps de la pompe, ce qui permet d’ouvrir un espace dans l’engrènement des engrenages lorsqu’ils tournent. Les volumes sont séparés par un élément en forme de croissant qui fait office de joint d’étanchéité. Après avoir franchi le croissant, l’engrenage commence à se fermer, évacuant le volume vers la sortie. Les exigences de puissance plus élevées, la complexité accrue du croissant et la fabrication plus difficile des engrenages font des pompes à engrenages internes une classe quelque peu spécialisée.

Pompe à engrenages internes du DPP

Gerotor

Le gerotor est un type spécial de pompe à engrenages internes sans utilisation de l’élément croissant. Le rotor interne est généralement entraîné par un moteur. L’élimination du croissant simplifie la conception mais exige une grande précision et de faibles jeux. La douceur du profil et du fonctionnement permet l’utilisation de matériaux spécialisés qui ne sont pas possibles dans les autres pompes à engrenages traditionnelles.

Diagramme DPP de la pompe gérotor

Pompe à palettes

Les pompes à palettes n’ont qu’un seul élément rotatif qui est excentré par rapport à la cavité de la pompe. L’élément rotatif contient plusieurs palettes qui peuvent glisser ou se déformer pour s’adapter au profil de la paroi de la cavité. Les palettes forment un joint coulissant étanche contre la paroi de la cavité, emprisonnant le volume de fluide à l’entrée et le refoulant à la sortie. Les pompes à palettes sont très insensibles aux variations de pression car les palettes sont en contact avec la paroi de la cavité. Cependant, le glissement entre les palettes et la paroi crée des problèmes de puissance, de bruit et de durée de vie.

Diagramme DPP de la pompe à palettes

Pompe péristaltique

Parfois appelées pompes à rouleaux, les pompes péristaltiques déplacent le fluide en utilisant des rouleaux pour piéger le liquide dans un tube flexible et le faire passer de l’entrée à la sortie. Cette conception a pour conséquence que le fluide n’entre en contact qu’avec l’intérieur du tube. Cette caractéristique, associée à un tube facile à remplacer, fait des pompes péristaltiques des instruments idéaux pour les applications à usage unique, comme le contact avec le sang dans une machine de dialyse. Cependant, la compression fréquente du tube nécessite également son remplacement fréquent, ce qui les rend problématiques pour de nombreuses applications. Les pompes péristaltiques ont un débit pulsé, un peu comme une pompe alternative.

Diagramme DPP de la pompe péristaltique

Pompe à lobes

Une pompe à lobes est similaire à une pompe à engrenages externes, mais elle comporte des éléments en forme de lobes au lieu d’engrenages. Les éléments en forme de lobes sont chacun entraînés par un moteur avec des engrenages temporisés. Cela élimine le contact entre les deux lobes, ce qui réduit l’usure et minimise le cisaillement du fluide. Les pompes à lobes sont capables de traiter des solides plus gros que les autres pompes volumétriques grâce au petit nombre de dents.

A lobe pump is similar to an external gear pump but has lobe-shaped elements instead of gears. The lobe-shaped elements are each driven by a motor with timed gears. This eliminates contact between the two lobes, reducing wear and minimizing fluid shear. Lobe pumps are able to handle larger solids than other positive displacement pumps due to the small number of teeth.

Diagramme DPP de la pompe à lobes

Sélection de la pompe

Le choix du type de pompe approprié pour un système hydraulique est la première étape vers la création d’un dispositif fiable et efficace. Une collaboration étroite avec les ingénieurs concepteurs de pompes est recommandée pour s’assurer que la pompe optimale est sélectionnée pour une longue durée de vie et la stabilité du système. Le choix du bon type et de la bonne qualité de pompe au début du processus de conception peut simplifier considérablement l’ensemble du système, ce qui permet d’économiser du temps, de l’espace, de l’argent et des maux de tête.