Des pompes pour faire le vide
Définition : Classification des domaines de vide
On a l'habitude de classer les niveaux de vide comme suit.
Vide grossier ou vide industriel (105 Pa à 102 Pa) :
débits volumiques de pompage très grands (plusieurs centaines de m3 par heure),
applications : grosses installations, distillation sous vide, métallurgie, procédés chimique ;
Vide primaire (jusqu'à 1 Pa) :
obtenu par la première pompe du système de pompage (pompe volumétrique),
permet d'évacuer 99% des gaz en volume voire plus ;
Vide moyen (102 Pa à 10-2 Pa) :
obtenu par pompe de type roots,
but : favoriser le fonctionnement de la pompe secondaire ;
Vide poussé (10-1 Pa à 10-5 Pa) ou vide secondaire :
obtenu par pompe secondaire (pompe à diffusion ou turbomoléculaires),
l'état du gaz est raréfié (vide moléculaire) ;
Ultravide (10-5 Pa à 10-8 Pa) :
applications : fabrications de tubes électroniques, simulation spatiale, satellites ;
Extrême vide (au-delà de 10-8 Pa) :
les problèmes de mesures et de validité commencent ,
applications : étude de la structure de la matière (accélérateurs de particules, etc.).
Dimensionnement des pompes à vide
Charge de gaz à évacuer
Pour faire le vide, il faut évacuer les gaz présents.
Afin de dimensionner une installation, il faut définir la charge de gaz à évacuer ou le flux de pompage dans une enceinte qui contient du gaz à \(P\) > 1 atm.
Plusieurs types de gaz doivent être évacués :
les gaz initialement dans le volume ;
mais aussi les gaz issus de :
la vaporisation,
la désorption,
la perméation,
la transporisation,
la retrodiffusion.
Vaporisation : les molécules à la surface d'un matériau se transforment en gaz (pour les pompes mécaniques, la compression tend à recondenser ces vapeurs ce qui peut dégrader la pompe).
Désorption de particules gazeuses adsorbées ou absorbées.
Perméation : les gaz passent au travers des solides même si la paroi ne présente aucun trou.
Transporisation : passage de gaz au travers de canaux capillaires.
Rétrodiffusion : molécules du fluide moteur.
Méthode : Temps de pompage
On cherche à évaluer le temps \(t\) nécessaire à l'obtention d'une pression donnée \(P\) à partir de la pression initiale \(P_{i}\) dans l'enceinte.
hypothèses :
On néglige les débits de fuites (fuites réelles, transporisation...).
Pas de flux de traitement (apport de gaz extérieur)
Pas de désorption parois (dégazage solvant)
On montre que dans ces conditions :
\(t=\frac{V}{Qv_{i}} \cdot ln \frac{P_{i}}{P}\)
où \(V\) est le volume de l'enceinte, \(Qv_{i}\) le débit de pompage moyen entre \(P_{i}\) et \(P\).
L'abaque à points alignés ci-contre permet la détermination des temps de pompage en fonction de la pression finale désirée \(P_{2}\) et de la pression de départ \(P_{1}\) (pour \(P_{1}\) et \(P_{2}\) > 10-2 mbar) compte tenu de la diminution de la vitesse de pompage des pompes primaires aux basses pressions.
Quelques éléments technologiques
Une pompe à vide permet de réduire le nombre de molécules (pompes volumétriques ou cinétiques) ou de réduire leur vitesse et donc d'abaisser la température (pompe à fixation).
Machines
Machines primaires (mécaniques) : Patm -> vide grossier à moyen
Machine secondaire(hydrodynamique ou fixation) : vide moyen -> ultra vide
Pompes mécaniques
Pompes à piston : 103 Pa à 105 Pa
Pompes à palette (joint d'huile) : 10-2 Pa à 105 Pa
Pompes de roots (dépresseurs), pompes à lobes : 10-3 Pa à 105 Pa
Pompes hydrodynamique utilisant un fluide auxiliaire
Pompe à eau (Venturi), éjecteurs à vapeur : 1 Pa à 105 Pa
Fixation : On vaporise un corps (métal) que l'on condense sur une paroi froide, la vapeur du gaz crypte le gaz pompé.
Pompe à diffusion moléculaire : 10-5 Pa à 10-1 Pa
Pompe ionique, cryogénique
Pompe à piston oscillant
Il s'agit d'une pompe volumétrique rotative. Elle permet d'atteindre des pressions jusqu'à 10-4 mbar.
Ces pompes sont fiables, de faible coût, compactes et robustes. En revanche il y a présence d'huile, susceptible de causer de la contamination.
Pompe à diffusion
Le principe de fonctionnement de ces pompes est bas" sur un jet supersonique de molécules lourdes avec : collision avec le gaz et direction privilégiée du gaz vers la zone haute pression.
Ce type de pompe permet d'atteindre des pressions jusqu'à 10-5 Pa.
Elles sont utilisées comme pompes secondaires.
Elles sont robustes et ont un faible coût de maintenance. Il y a en revanche un risque de pollution par retrodiffusion.
Pompe turbomoléculaire
Ce sont des pompes pour l'ultravide, avec un pompage propre (magnétique) à transfert de flux.
Pompe ionique
Un film de titane sublimé est déposé sur une paroi et capture par chimisorption les particules gazeuses (formation d'un composé chimique).
Les illustrations ci-dessous montrent le principe de fonctionnement de ce type de pompe.
