Des pompes pour faire le vide

DéfinitionClassification 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.).

les différents domaines du videInformations

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.

charge de gaz à évacuerInformations

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.

MéthodeTemps 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 :

\(t=\frac{V}{Qv_{i}} \cdot ln \frac{P_{i}}{P}\)

\(V\) est le volume de l'enceinte, \(Qv_{i}\) le débit de pompage moyen entre \(P_{i}\) et \(P\).

évolution de la pression en fonction du tempsInformations
évolution de la pression en fonction du temps (en minutes)Informations
abaque pour l'évaluation du temps nécessaire pour obtenir un certain niveau de vide

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

choix des principes de fonctionnement des pompes pour le vide

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 piston oscillant
principe de fonctionnement d'une pompe à piston oscillant

Pompe à diffusion

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

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.

pompe ionique
photographie d'une pompe ionique avec détail
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