Techniques du vide POLYTECH Simone Cassette

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1 Techniques du vide Simone Cassette 1

2 LE VIDE Au programme : Un peu de théorie gaz parfaits / gaz réels une description statistique des gaz un peu de mécanique des fluides et les technologies du vide une installation type la production la mesure 2

3 Chap. 1 Introduction Applications du vide 3

4 1.1 Le vide un gaz raréfié ou un mélange gaz/vapeur caractérisé par une pression inférieure à la pression atmosphérique La pression est la force exercée par les molécules de gaz sur une surface unité P = F / S Unité S.I. : Pascal (N/m 2 ) Loi des gaz parfaits : P = n kt k= constante de Boltzmann = 1, J.K -1 n = nombre de molécules par unité de volume la pression atmosphérique moyenne est environ 1013 hpa dans 1 cm3 d air à P atmosphérique, il y a 2, molécules 4

5 Unités de pression usuelles Unité S.I. : Pascal (1 Pa = 1 N/m 2 ) En pratique : on utilise le mbar, le Torr, le mm Hg 1 bar = 10 5 Pa ; 1 mbar = 100 Pa = 1 hpa 1Torr = 1mm Hg = 133 Pa et 1 atm = 760 Torr= 1,013 bar 5

6 Le vide dans l'espace Altitude (km) Pression (Pa) Niveau de la mer Sommet du Mont-Blanc 4, Sommet de l'everest 8, Croisière des avions Satellites géostationnaires Dans l'espace, à l'altitude de la lune Surface de la lune Dans notre galaxie (1 à 100 molécules/cm 3 ) à Dans l'espace intergalactique (1 molécule pour 4 m 3 mais très rapides!) à

7 sur la terre «Faire le vide» = abaisser la pression => diminuer le nombre de molécules contenues dans le récipient => créer un flux de molécules du récipient vers un système d'aspiration 7

8 Quelques exemples Dans... La pression est égale à... (mbar) Il reste encore molécules par cm3 Un paquet de café sous vide 100 2, Un tube de télévision (cathodique), une machine de dépôt sous vide milliards Un accélérateur de particules ,7 millions Le meilleur réalisé en labo

9 Les domaines du vide Patm pompage 1000 mbar 10-3 mbar 10-7 mbar Vide primaire Vide secondaire Ultra vide 9

10 1.2 Les applications Basées sur les principales propriétés du vide : atmosphère inerte, suppression de la contamination isolation thermique effet «mécanique» diminution des collisions entre molécules 10

11 Remise à l air Capteur de Pression Vanne d isolement Enceinte à vider Pompe 1.3 Une installation de vide Canalisation Enceinte : volume pression nature du gaz surface (dégazage des parois) Canalisation : diamètre longueur nb d éléments Régimes d écoulement Perte d efficacité (conductance) Pompes : type Débit volume (vitesse de pompage) Pression limite (avec installation) sélectivité de pompage (nature du gaz) 1) Pression initiale Pression finale Temps donné 2) Maintenir une pression donnée pendant des opérations spécifiques 11

12 Les questions à se poser pour décrire et dimensionner une installation Que veut-on faire? pomper de l'air mais aussi des mélanges, gaz légers, inertes, réactifs, dangereux? Quel vide faut-il atteindre? les domaines du vide et leurs techniques En combien de temps? vitesse de pompage les pompes mais aussi les canalisations => montage en fonction du domaine du vide 12

13 1.4 Comportement d'un gaz dans une installation Gaz réel / gaz parfait Description moléculaire statistique Fluide visqueux 13

14 Gaz parfaits Dans les basses pressions, on utilise : P.V = N.k.T (N = nb de molécules dans le volume V) P = n.k.t (n = N/V = nb de molécules par unité de volume) k = 1, J.K -1 (constante de Boltzmann ) À basse pression, à haute température, loin des changements de phase, les gaz peuvent être considérés comme parfaits (cas des vapeurs dans le cas de l évaporation de matériaux) 14

15 Gaz réels : Mélange de gaz - Loi de Dalton Soit n 1, n 2,, n i le nombre de molécules de chaque gaz par unité de volume On peut écrire P i = n i.k.t pour le gaz i s il est seul. On appelle P i la pression partielle du gaz i dans le mélange. P= pression totale = Σ P i = Σ n i.k.t = n.k.t La notion de pression partielle est importante car les machines utilisées en technique du vide (pompes et capteurs de pressions) se comportent différemment selon la nature des gaz 15

16 Chap.2 Théorie cinétique des gaz 16

17 2.1 Description à l'échelle moléculaire Le comportement du gaz est décrit à partir de la vitesse des molécules molécules identiques, sphériques, de masse m gaz homogène et isotrope : le nombre de molécules par unité de volume est grand et le même partout interactions négligeables entre molécules (seulement des chocs = collisions élastiques) les molécules se déplacent dans toutes les directions, avec toutes les vitesses possibles entre deux chocs le mouvement de chaque molécule est supposé rectiligne et uniforme la distribution d'équilibre (état le plus probable) correspond au plus grand désordre (plus grande entropie) 17

18 Distribution des vitesses : loi de Maxwell-Boltzmann : F( v ) = 1 N dn dv = 4πv m ( ) 2πkT exp mv 2kT 2 F(v) donne la proportion des molécules ayant une vitesse comprise entre v et v+dv, quelle que soit sa direction à un instant donné. F(v) dépend de v 2 donc seulement du module de la vitesse Dans un volume fermé, V N = nb molécules dans V, ayant une vitesse comprise entre v 1 et v 2 N = v 2 v1 NF( v) dv 18

19 F(V) varie avec m et T F(v) F(v) présente un maximum v p = vitesse la plus probable. v p = 2kT m 1/ 2 La plupart des molécules ont une vitesse proche de v p v 19

20 2.2Applications de la théorie cinétique des gaz o Les vitesses vitesse la plus probable Vitesses moyennes o Les chocs particules / surfaces flux de particules pression particules / particules libre parcours moyen 20

21 2.2.1 Les vitesses moyennes 1) Vitesse la plus probable (max de F(v)) v p = 2kT m 1/ 2 2) Vitesse arithmétique moyenne v m = 1 vdn N 0 3) Vitesse quadratique moyenne v q = 1 N 0 v 2 dn 1/ 2 8kT 2 v m = = v p = 1,13. v πm π 1/ 2 3kT 3 v q = = v p = 1,22. v m 2 3 E = kt = cin mv q p p Calculer : à 293 K: v m (H 2 )? v m (N 2 )? à 77 K: v m (N 2 ) =? 21

22 2.2.2 Interactions particules / surface Chocs sur une paroi flux de molécules par seconde sur une surface S 1 Φ s = 4 nv m s par unité de surface Φ = 1 4 nv m = P 2πmkT Application : Calcul du temps de formation d une monocouche τ mc sur une surface unité 22

23 Libre parcours moyen Chocs entre particules Les molécules d un gaz sont en perpétuel mouvement : chocs entre elles + chocs avec les parois du récipient qui contient ce gaz. Le libre parcours moyen λ représente la distance moyenne que peut parcourir une molécule quelconque d un gaz entre deux chocs intermoléculaires. λ = nd 2 1 π 2 = Pd kt 2 π d = diamètre des molécules 2 Pour de l air à 300 K (d= 2, m) => à Patm : λ = 66 nm à 10-6 mbar : λ = 66 m Nb de chocs entre molécules/s dans un volume V C mm = nv.v m /λ 23

24 Application Les régimes collisionnels Dans une sphère de diamètre D = 50 cm, à 300K, contenant de l'azote (d= 3, m), on fait varier la pression : - nb de molécules/ unité de volume - libre parcours moyen - nb de chocs molécules/paroi - nb de chocs molécules/molécules 24

25 Les régimes collisionnels P = nkt λ = Pd kt 2 π 2 v m = 8kT πm T=300K d= 3, m C mp = 1 4 nv m S C mp = P 2πmkT S C = nv mm vm λ c c mp mm = S V λ = 4 3λ 8D P(Pa) n λ (m) Cmp Cmm Cmp/Cmm moléc/m3 2, P 6, /P 2, P 1, P /P , , , , λ << D , , , , , , , , λ D , , , , , , , λ >> D Changement de régime lorsque λ est du même ordre de grandeur que D 25

26 Chap.3 Ecoulement gazeux 26

27 Remise à l air Les conditions d écoulement dépendent des 3 zones : Capteur de Pression Enceinte à vider Enceinte : volume pression nature du gaz surface (dégazage des parois) Canalisation Vanne d isolement Pompe Canalisation : diamètre longueur nb d éléments Régimes d écoulement Perte d efficacité (conductance) Pompes : type Débit volume (vitesse de pompage) Pression limite (avec installation) sélectivité de pompage (nature du gaz) 27

28 Objectif : caractériser la quantité de gaz qui s écoule à travers une canalisation, une pompe, un trou En régime établi, pas d accumulation de matière : toutes les sections sont traversées dans l unité de temps par la même quantité de matière En technique du vide, on utilise le débit volume et le flux gazeux pour décrire les écoulements. 28

29 3.1 Débit volume (D v ou S) P 1 v m A P 2 gaz P P 1 > P 2 v m est la vitesse moyenne du fluide qui circule D v = A.v m (m 3.s -1 ) s'exprime aussi en en m 3.h -1 ou en l.s -1 D v est le débit en volume (dv/dt ) mesuré sous la pression P 29

30 3.2 Le flux gazeux Q= P.D v avec P = pression au niveau de la section traversée o Q s'exprime en Pa.m 3.s -1 ou en mbar.l.s -1 o En régime permanent, Q est constant le long d'un écoulement donc le long d une ligne de pompage o Q est proportionnel au nb de molécules qui s écoulent (conservatif) Q = nktd v Q = kt dn dt 30

31 Application Mesure de la pression dans un four à 2000 C 2000 C P1 P2 20 C Capteur le capteur est à 20 C P1 est-elle égale à P2 mesurée? Installation sous vide moléculaire, conductance entre 2 régions T1 P1 (n1) T2 s P2 (n2) trou de surface S T1>T2 molécules identiques de masse m Méthode : calculer Q 1 = flux gazeux de 1 vers 2 Q 2 = flux gazeux de 2 vers 1 31

32 Q 1 = 1 4 n S P1 8 kt 1 ν m 1S = = 4 kt π m 1 1 S 2π mk P 1 T 1 Q 2 = S P 2 2π mk T 2 A l équilibre, Q1 =Q 2 => P 2 T 2 = P 1 T 1 soit encore P 1 = P 2 T T 1 2 T1(four) = 2000 C et T2 (capteur) = 20 C P1 réelle = P2 (2273/293) 1/2 = 2,8 fois la pression mesurée P2. Effusion thermique 32

33 3.3 Equation de pompage Le cas idéal Le cas réel => Les canalisations (conductance) => Fuites et dégazage (pression limite) 33

34 3.3.1 Evolution de la pression au cours du temps à partir de Patm (prévidage d une enceinte) E, V, P 0 PV = NkT => P,S p N = PV kt 1) Nb de molécules sorties de l enceinte par unité de temps : dn dt E = V kt dp dt ( V=ct ; P ) 2) Nb de molécules aspirées par la pompe : dn dt P = P kt dv dt = P kt D v = Q kt (La pompe prélève un volume dv à la pression P) dp 1)=2) => V = PDv dt dp Dv => = dt => D v P V t V P = P0 exp 34

35 Cas idéal D v = constant Pas de flux parasite La variation de la pression en fonction du temps est : P D v t V P0 D => v 0 Ln = t = P exp P V Détermination de D v : Calcul du temps de prévidage : P D v ( t t0 ) = V ln P 0 t = V D v P0 ln = 2,3 P V D v P0 Log P En réalité, la pression ne devient jamais nulle comme l indique l équation. On observe que D v devient très faible et que la pression stagne à une valeur P= Plimite 35

36 Courbe de pompage : enceinte reliée directement à une pompe primaire Dv(pompe) = 25 m 3 /h canalisation: aucune temps (secondes) D v =cst P enceinte P pompe pression (mbar) ,1 S p (Knudsen) 0,01 0,001 S p (visqueux) P Enceinte = P Pompe 36

37 3.3.2 Le cas réel : présence d'un flux parasite Ce flux Q D (considéré constant) provient : - du dégazage (en réalité, diminue avec le temps) - des fuites (constant) Bilan des flux dans l'enceinte : dn dt E = V kt dp dt + Q D kt Q F E (P,V) Q Q RD Q D Le flux total traversant l'installation devient : dp V + Q D = PD v dt Pompe L'évolution de P s'écrit : P = P 0 Q D D v exp D V v t + Q D D v Q D D v << P 0 P = P 0 exp D V v t + Q D D v Pression limite de l installation équilibre entre flux de dégazage et débit volume de la pompe conduisant à P lim 37

38 3.4 Le dégazage D'où provient le dégazage? Dans une installation de vide, le dégazage provient des parois plus ou moins rugueuses piègeant les molécules ou couvertes de dépôts pulvérulents, des joints élastomères, des matériaux poreux, des pièces qui sont chauffées au cours des opérations Phénomène inverse de l adsorption : libération lente à basse pression des molécules adsorbées sur les surfaces 38

39 Echanges gaz-surface : adsorption / désorption Phénomène général observé avec tous les couples solides gaz la quantité de gaz adsorbé dépend de la surface du solide, pas de son volume Temps de séjour τ Sorption et désorption d un gaz sur une surface émission t Le temps de séjour τ va dépendre de : la nature de la surface Wads τ =τ 0 exp RT la nature de la molécule la température de la surface τ s Wads = chaleur d'adsorption (Période d oscillation des molécules) 39

40 Deux catégories d échanges : les mécanismes se distinguent par la nature de la liaison entre la molécule adsorbée et le solide 1. Chaleur d adsorption faible < 10 Kcal/mole Ex: tous les gaz rares sur n importe quel solide (Ar/W) Tous les gaz sur des solides inertes Physisorption Liaisons faibles 2. Chaleur d adsorption forte >100 Kcal/mole Ex: les gaz actifs sur métaux (O 2 sur W) Chimisorption Liaisons fortes Wads = 10 3 cal/mol Wads = cal/mol Wads = cal/mol Wads = cal/mol τ τ τ = s ex: N 2 ou Ar sur W = 1 heure = heures ex : O 2 sur W ou Ti 40

41 Comment s exprime le dégazage? Par un flux : Q D = kt dn dt dn dt = nb de molécules libérées par sec. Q D s'exprime en Pa.m 3.s -1 On définit également un flux par unité de surface : c'est le taux de dégazage spécifique q D s'exprime en Pa.m.s -1 q D = Q D S S= surface de l enceinte ou des pièces à l intérieur qui dégazent En pratique, pour définir une installation, q D permet de comparer et choisir les matériaux à utiliser puis d évaluer Q D pour une enceinte donnée 41

42 42

43 Quand et Comment tenir compte du dégazage? surtout en pompage secondaire le D v de la pompe doit équilibrer Q D et maintenir la pression nécessaire dans le récipient En pompage : Φi Φ e L Comment le mesurer? test de remontée de pression Application : choix des matériaux (surfaces lisses, non poreuses) sas introduction remise à Patm avec N 2 pour éviter O 2 et H

44 3.5 Influence des canalisations C P 1 Q P 2 P1>P2 : écoulement du fluide de P1 vers P2 écoulement dépend de la pression mais aussi de la dimension de la canalisation On définit la conductance C (inverse de la résistance à l écoulement) par le rapport entre le flux gazeux qui circule et la différence de pression entre les 2 extrémités de la canalisation. C Q = Q = C. P P 1 P 2 44

45 3.5.1 Vitesse de pompage effective Dv E P E Enceinte Canalisation Pompe Pour une chambre reliée à une pompe, le flux Q qui circule est : Q = P E.Dv E = P P.Dv P = C(P E -P P ) 1 Dv E = 1 Dv p 1 + C Dv E = CDv Dv P P + C Dv P P P Dv P = débit volume intrinsèque de la pompe Dv E = Vitesse de pompage effective Lorsqu une pompe est raccordée à une enceinte par l intermédiaire d une canalisation de conductance C, l efficacité de la pompe est diminuée. si C =>Dv E Dv P : faible perte de charge si C << Dv P => Dv E C, Dv p : le pompage dans la chambre est faible même avec une pompe puissante 45

46 Effet d'une canalisation sur le pompage effectif Droite diamètre 10 mm P enceinte P pompe pression (mbar) ,1 0, tem ps (secondes) P = P E P P = Q / C P 46

47 3.5.2 Lois pour un réseau complexe de canalisations en série C 1 C 2 C 3 C 4 1 C = 1 C C C n en parallèle C = C 1 +C 2 + C n Analogie électrique o P => V o Q => I o C => 1/R Le calcul d une conductance nécessite de connaître le régime d écoulement dans la canalisation 47

48 Chap.4 Calcul des conductances 48

49 4.1 Les différents régimes Patm pompage 1000 mbar 10-3 mbar 10-7 mbar Vide primaire Vide secondaire Ultra vide Régime visqueux Turbulent Laminaire Transition Régime intermédiaire Régime moléculaire La valeur de la pression ne suffit pas à déterminer le régime, il faut tenir compte de la dimension des enceintes et canalisations, en particulier de leur diamètre. 49

50 Vide Comment caractériser ces régimes? Régime moléculaire λ D 3 Régime intermédiaire Régime visqueux: la vitesse moyenne du fluide est liée à sa viscosité ( η) Pression atmosphérique Régime laminaire Régime de transition 1200 < Re < 2200 Régime turbulent λ < D 100 Re < 1200 Re>

51 Les sous-régimes du régime visqueux : définis par Re, nombre de Reynolds Re = V m Dρ η Re < 1200 => régime laminaire Re > 2200 => régime turbulent 1200 < Re < 2200 => régime de transition (ρ = m.n = masse volumique du gaz à la pression P n = P/kT ; V m = D v /A ; A = πd 2 /4 pour canalisation cylindrique) Re fonction du flux gazeux Q et du diamètre D de la canalisation 4m DvP 4m Re = = πηkt D πηkt En technique du vide, les régimes turbulents et de transition se rencontrent au tout début du pompage (phase transitoire) Q D 51

52 4.2 Conductance en régime laminaire Le flux gazeux est donné par la loi de Poiseuille On en déduit la conductance d une canalisation en régime laminaire : C = Q P 1 P 2 C = πd 4 128Lη P m C dépend de la pression moyenne P1-P2 = perte de charge P1+P2 / 2 = pression moyenne dans la canalisation = P m air à 20 C C D =1360 L η= 1, SI, D et L en m, C en m 3. s -1 4 P m 52

53 4.3 Régime moléculaire La perte de charge dans la canalisation ne provient plus de la viscosité du fluide. Les collisions avec les parois sont responsables de la résistance à l écoulement. Le principal paramètre à considérer sera le libre parcours moyen 53

54 4.4 Conductance en régime moléculaire L expression du flux gazeux en régime moléculaire est donnée par la loi de Knudsen On en déduit la conductance en régime moléculaire C = Q P = 4 3 R L 3 2πkT 1 D 2πkT = m 6 L m 3 C ne dépend pas de la pression air à 20 C : C = 125 D,L en m, C en m 3. s -1 Relation valable pour une canalisation longue : L>> D Canalisation courte : si L < 10 D, on remplace L dans la formule par L+1,33 D D L 3 54

55 4.5 Conductance en régime intermédiaire Propriétés du régime mal connues mais la conductance doit tendre : vers C moléculaire aux basses pressions vers C laminaire aux pressions élevées => Formule de Knudsen composée de 2 termes, un correspondant au régime visqueux qui diminue quand P m baisse et l autre au régime moléculaire qui devient prépondérant quand P est faible 55

56 4.6 comment déterminer le régime? Le régime collisionnel est déterminé par le rapport entre c mm (chocs intermolécules dans V ) et c mp (chocs molécules-paroi sur surface A) c c mm = mp V S 4 λ Le rapport Kn = λ/d (nb de Knudsen) permet de déterminer le régime (D = diamètre de la canalisation) P élevée => λ petit P forte => λ grand Kn <1/100 => régime laminaire Kn > 1/3 => régime moléculaire En pratique, on retient : λ < D 100 => laminaire Pour de l air à 300K, (P en mbar, λ en cm) 3 6,6.10 Kn = P. D λ D 3 => moléculaire Kn<1/100 => P.D >0,66 mbar.cm Kn >1/3 => P.D > mbar.cm Entre les deux, le régime est intermédiaire (de Knudsen) 56

57 4.8 résumé, conséquences C Moléculaire P.D< mbar.cm C P m Laminaire P.D>0,7 mbar.cm C indép.de P m C D 3 Intermédiaire C D 4 λ= D/3 λ= D/100 P m Régime moléculaire : C est indépendante de P, les collisions avec les surfaces sont responsables de la résistance au pompage Régime Laminaire: même lorsque la vitesse de pompage est constante (pompe), cette vitesse dépend de P m au niveau du récipient C = 1 D 3 6 L 2πkT m C = π D L η P m 57

58 Installations les conductances en régime visqueux sont très supérieures à celles du régime moléculaire -> D 4 / D 3 -> Pm (souvent supérieure à 1mbar) -> Coefficient supérieur Peu d effet en régime visqueux, au début du pompage mais les pompes secondaires sont montées directement sur l'enceinte (Cmax) PP Montage en vide primaire Enceinte Pompe PS C Montage en vide secondaire PP Variation des conductances en fonction des gaz : peu utile en régime visqueux important en régime moléculaire : correction en fonction de Ex : C (H 2 ) = 3,8 C (air) C (He) = 2,7 C (air) C (air à 77K)= 0,51 C (air à 293 K) T m 58

59 Production et mesure du vide 59

60 6.1 Comment faire le vide? Principe d'une pompe Transfert ou Piègeage Aspiration (P asp ) Pompe (Sp) Γ = P Re P Asp f Adsorption des molécules sur une surface puis Désorption pendant une phase dite de régénération. Refoulement (P ref ) Γ= taux de compression 60

61 6.2 Les principaux types de pompes classées selon leur principe de fonctionnement Pompes de transfert ou à extraction Pompes à fixation Volumétriques : compression par réduction de volume Cinétiques, à entraînement, orientation des molécules vers la sortie Chimi- ou physi-sorption Zéolithes ou tamis moléculaire Sublimation de titane Ionique Primaires à palettes Roots Pompe à diffusion d huile (PAD) Pompe turbo moléculaire (PTM) Condensation Cryogéniques 61

62 Caractéristiques d une pompe, critères de choix Sp = Dv = débit volume (0,5 l/s à 10 5 l/s) Pression limite (pour pompes courantes, jusqu'à mbar) puissance d aspiration = Q, flux maximal admissible = S 0. Pmax sélectivité S 0 0,9 S 0 Palier = vitesse de pompage nominale Domaine de fonctionnement P lim 10 P lim P asp max (amorçage) 62

63 En fonction du régime de vide Primaires ou Préliminaires (régime visqueux) de P atmosphérique à P=10-3 mbar capables de refouler le gaz pompé à Patm Secondaires (régime moléculaire) à partir du vide primaire jusqu à l ultra vide après une pompe primaire (prévidage nécessaire) avec pompe primaire au refoulement pour pompes de transfert Intermédiaires entre pompes primaires et secondaires Autres caractéristiques : pompe autonome ou dans un groupe sélectivité, silence, vibrations, position, propreté (huile), coût 63

64 6.3 Pompes de transfert volumétriques a) Pompe à palettes à joint d huile Pompe mécanique pour vide primaire (Patm à 10-3 mbar) Seule ou en pompe préliminaire dans un groupe pour vide poussé compression par réduction de volume rectiligne (pompes à piston) ou circulaire ( pompes à palettes) Débit-volume : 1 à 300 m 3 /h Fort taux de compression : Γ = 1000mbar (Ref ) 10 3 mbar ( Asp) = 10 6 Grande durée de vie 64

65 Huile = étanchéité et lubrification (mais fuites en retour) P limite Soupape: s'ouvre uniquement quand P> Patm 65

66 Principe de la pompe à palettes : 3 compartiments 1,2,3. Aspiration Stator Rotor Refoulement Vitesse de pompage maximale : S 0 = 2N. V (N= vitesse de rotation) Soupape P en 3 < Patm sauf quand compression max => soupape s ouvre (pompe plus efficace) 66

67 (a) (b) Pompage de vapeurs condensables Mélange air + eau Air : loi de Mariotte Eau : loi de Clapeyron Aspiration : air + vapeur presque évacués Vapeur d eau: à T= 70 C(corps de pompe) => Pvsat = 330 mbar Compression Enceinte isolée Lest d air introduit Si le récipient contient de la vapeur d eau, à P=1 mbar => condensation quand taux de compression atteint 330 (330 mbar< Patm donc la soupape ne s ouvre pas), Pv ne peut plus augmenter et apparition d eau liquide Condensation Pression suffisante pour ouvrir la soupape avant condensation Émulsion eau-huile pompe inefficace On ajoute de l air (lest) a) Sans lest d air : condensation b) Avec lest d air : la vapeur est éliminée 67

68 Pompe à 2 étages : disposées en série, l une sert de pompe primaire à l autre. la vitesse de pompage augmente la pression limite est plus faible : 10-4 mbar Patm Aspiration Etage secondaire P< Patm (refoulement de I) 68

69 b) Pompe sèche Roots pompe intermédiaire dans le domaine de pression où la pompe à palette a une capacité de pompage qui diminue, à l amorçage des pompes secondaires (10-2 mbar) pompe» booster» à Dv très grand, toujours associée à une pompe primaire. Dv de 100 à m 3 /h pour pomper de grands volumes et des flux élevés (chimie, dépôts CVD et PECVD) avec des gaz réactifs (O 2, corrosifs ) gamme de pression : 1 mbar à 10-4 mbar simple, robuste, compacte, sèche, peu de maintenance 69

70 Principe de la Pompe Roots 2 pistons rotatifs en forme de 8, tournent en sens inverse (2000 à 4000 trs/ min) qq dixièmes de mm entre les 2 rotors élévation de la température du gaz => faible P (Prefoul- Pasp) taux de compression faible (< 50), augmente quand P diminue 70

71 Débit-volume de diverses pompes Roots : Dv varie avec P 71

72 Groupe de pompage simple 72

73 Groupe de pompage rapide à fort Dv et flux élevés 73

74 6.4 Pompes à entraînement Effet de pompage = résultat d un échange de quantité de mouvement entre une «paroi» animée d un mouvement rapide et les molécules de gaz. La paroi peut être constituée par un jet de fluide (pompe à diffusion d huile) ou par une surface solide (pompe turbomoléculaire) PAD et PTM sont des pompes secondaires, fonctionnant en régime moléculaire, les molécules entrent par un orifice large, sans direction privilégiée Elles doivent être prévidées par une pompe primaire qui abaisse la pression en dessous de 10-1 mbar. 74

75 a) Pompe à diffusion d huile (PAD) Piégeage des molécules d huile Aspiration : large ouverture P Ext < 10-2 mbar Pint>>Pext => molécules huile accélérées => vitesse supersonique (> 330 ms -1 ) Refroidissement par eau Surpression: P int Refoulement vers Pompe primaire, P< 10-1 mbar Condensation de l huile Huile chauffée à 200 C Pv 1 mbar à 200 C Pv < 10-8 mbar à 20 C 75

76 Principe de l entraînement Système convergent - divergent : si P P Int Ext >1,4, les molécules rapides sont fortement accélérées => vitesse supérieure à vitesse du son (330 ms -1 ) Les molécules d huile lourdes et rapides sont peu déviées, les molécules de gaz sont entraînées dans la même direction (quantité de mouvement M h V>>Mv des molécules). La PAD pompe mieux les gaz légers. Exemple : N2, M=28g, v=435 ms -1 => Mv= Huile M h = 500g, v=235ms -1 => M h V>

77 Intérêt de la PAD : robuste, simple, peu sélective, pas de pièce mobile donc pas de vibrations, taux de compression élevé Caractéristiques d'une PAD Domaine de fonctionnement : 10-3 à 10-8 mbar Γ = = 10 Inconvénients : position verticale uniquement, rétrodiffusion d huile utilisation de pièges froids (N 2 liquide) qui fixent les vapeurs d huile et condensent la vapeur d eau venant de l installation => mbar. 5 isolement de la pompe pendant les périodes transitoires (chauffage, refroidissement) 77

78 Débit volume d une pompe à diffusion D v max D v max /10 Pression de flux maximal Domaine de fonctionnement 10-8 P amorçage P (mbar) Dv (PAD): qq 10 à litres/s Vide limite en fonction de la nature de l'huile utilisée 78

79 b) Pompe turbo moléculaire (PTM) choc des molécules contre des parois en mouvement (ailettes) grande vitesse de rotation ( trs/min) : la vitesse périphérique est proche de celle des molécules (400 à 500 m/s) pompe pratiquement sèche (huile pour rotor seulement) Aspiration par large ouverture Les ailettes sont plus espacées au niveau supérieur Stator Rotor Vers pompe primaire 2 étages de compression 79

80 Débit volume de la PTM : élevé, de qq 100litres /s jusqu à 5m 3 /s mais limité par ses dimensions (fragilité) Dv varie en fonction de la nature des gaz (+ faible pour gaz légers) peut pomper des flux élevés à plus haute pression que la PAD (craint moins les remontées de pression) domaine de fonctionnement : 10-2 à 10-9 mbar taux de compression varie avec la nature du gaz : 10 7 pour air, pour N 2, 250 pour H 2 et avec le nombre d'étages. doit être refroidie à l eau ou à l air Avantages : rapidité de mise en service (5 min), utilisable dans des positions variées Inconvénients : vibrations haute fréquence (nouvelles pompes à paliers magnétiques ne vibrent pas mais coût élevé), fragilité si objet pénètre dans la pompe, sélective (plus efficace pour les gaz lourds) 80

81 Principe de l entraînement des molécules Direction du flux gazeux perpendiculaire au mouvement des ailettes Réflexion d une molécule sur une paroi fixe Réflexion d une molécule sur une paroi mobile : elle repart avec une composante de vitesse parallèle à la surface en mouvement effet de pompage lié à la vitesse des molécules : 1 v m = K M PTM plus efficace pour des M élevées (ex : H 2 n est pas bien pompé) 81

82 Pompe turbo moléculaire à paliers magnétiques Contrôle du rotor par paliers magnétiques Propres (sèches), pas de vibrations Pas de maintenance Coût élevé à l'achat 82

83 6.5 Pompes à fixation pas de transfert vers une pompe primaire ou vers la pression atmosphérique les gaz sont piégés sur des matériaux granulés ou sur une paroi (fixation sans ré-émission) pompes non contaminantes (pas de vapeur d huile) capacité d absorption limitée à une certaine quantité de gaz (la pompe saturée doit être régénérée) le débit-volume très sélectif en fonction des gaz pompés statiques, n engendrent pas de vibration Pompes à adsorption ou tamis moléculaires Pompes à sublimation de titane Pompes ioniques Pompes cryogéniques 83

84 a) Pompe à adsorption Pompe primaire, constituée d un réservoir contenant un matériau poreux adsorbant (grande surface spécifique) refroidi par N2 liquide ( 77K) : zéolithes ou alumino-silicates débit volume faible (2 à 3 litres/s), utilisées pour pomper des petits volumes de P atm à 10-3 mbar (utilisation de pompes successives, de 1000 à 100 mbar puis de 100 à 1 et enfin de 1à 10-3 ) sélectives : efficaces pour les grosses molécules, pas pour H2 et gaz rares. 84

85 b) Pompe à sublimation de titane pompe secondaire, pour P<10-6 mbar fixation des molécules de gaz sur du titane périodiquement évaporé à partir d un fil de Ti chauffé, sur une paroi froide : réaction chimique (O2, N2, H2), peu efficace pour les gaz neutres pompe d appoint, permet d améliorer la qualité d un vide secondaire 85

86 c) Pompe cryogénique Condensation des gaz à très basse température Utilisation d une paroi froide : à 4,2 K, tous les gaz (sauf He) contenus dans une enceinte ont une pression de vapeur saturante inférieure à Pa, ils vont donc se condenser sur la paroi. 4K 14K 77K Pression de vapeur des gaz à pomper en fonction de la température 86

87 Tête froide : pompe (15 K) Compression-détente de l hélium en circuit fermé (cycle de Gifford-Mac Mahon) Détente HE=> refroidissement Le panneau à 80K gèle l eau et les hydrocarbures, le panneau à 15K condense N2, O2, et Ar, H2, He et Ne sont absorbés sur des charbons actifs se trouvant sur l étage à 15K Compresseur Principe d un cryogénérateur 87

88 Caractéristiques d une pompe cryogénique gamme de fonctionnement : 10-3 > P > mbar P élevée: la paroi est réchauffée par le gaz et la saturation est rapide pompe primaire nécessaire pour abaisser pression dans la pompe avant mise en froid pour abaisser P de l enceinte sous 10-3 mbar Ensuite, la pompe cryogénique peut être isolée (pas de transfert) régénération nécessaire : capacité de piégeage finie, l'épaisseur du "condensat" augmente, créant un gradient de température, la pompe est saturée et doit être réchauffée sous pompage débit volume dépend de la nature du gaz, très efficace pour vapeur d eau air : 1000 litres/s argon : 600 l/s eau : 3 à 4000 l/s H 2 : 600l/s efficace pour de forts débits à P< 10-6 mbar vide propre peut être «empoisonnée» si remontée de pression => régénération utilisée en fonctionnement continu vibrations basse fréquence 88

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