PERFORMANCES D UNE POMPE TURBOMOLECULAIRE

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Gilles Côté
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1 EUROPEAN LABORATORY FOR NUCLEAR RESEARCH CERN - LHC DIVISION LHC-VAC/KW Vacuum Technical Note May 2000 PERFORMANCES D UNE POMPE TURBOMOLECULAIRE K. Weiss

2 Performances d une pompe turbomoléculaire 1 Introduction Le but de cette étude est de comparer le vide obtenu avec une pompe turbomoléculaire A lorsque le refoulement de celle-ci est connecté à une pompe sèche de type scroll, à une pompe à palettes (qui est suspectée d engendrer une rétrodiffusion d huile vers l enceinte à pomper) ou à un groupe de pompage turbomoléculaire. Après l étuvage du dispositif expérimental, la pression partielle de vapeur d eau au niveau de l enceinte représentait environ 50% de la pression totale ce qui est anormalement haut. La quasi-totalité de la pression partielle de vapeur d eau n étant pas imputable au dégazage des parois de notre dispositif, cela nous a conduit à effectuer des essais supplémentaires pour déterminer l'origine de cette vapeur d'eau. Ce rapport est un résumé de ces différents tests. 2 Dispositif expérimental Le schéma dans la figure 1 montre le dispositif expérimental. Figure 1 : système de mesure Jauge Bayard Alpert Analyseur de gaz Balzers QMG 112 A V1 V2 Pompe turbomoleculaire Filtre Pompe primaire a palettes Venting Groupe de pompage de reference Enceinte a vide V3 Pompe Scroll Vp Flexible Pompe turbomoleculaire de test A Vi V4 Ligne d'injection Jauge Penning Jauge capacitive Pompe primaire a palettes ou groupe de pompage turbomoleculaire Groupe de pompage de test

Après l étuvage du dispositif expérimental, la pression partielle de vapeur d eau au niveau de l enceinte représentait environ 50% de la pression totale ce qui est anormalement haut.

3 Il est constitué d une enceinte raccordée par une vanne tout métal V1 à une pompe turbomoléculaire de référence de 56 l/s en série avec une pompe à palettes à deux étages d un débit de 12m 3 /h. La seconde vanne tout métal V2 sert à raccorder à l enceinte la pompe turbomoléculaire d essai (60l/s) en série soit avec une pompe de type scroll d un débit de 25 m 3 /h (la pression limite de cette pompe est 2*10-3 torr), ou une pompe à palettes à deux étages de 12 m 3 /h (pression limite =7*10-4 torr) ou d un groupe de pompage turbomoléculaire. Les caractéristiques techniques de la pompe d essai A Turbo V 70 D (DN 63) données par le fabricant sont indiquées dans le tableau 2. Sur la ligne primaire se trouvent deux jauges : une jauge capacitive compacte Balzers CMR274 qui sert pour les mesures du taux de compression et une jauge Penning Balzers IKR 020. L enceinte à vide est équipée d une jauge à ionisation de marque SVT et d un analyseur de gaz QMG 112 de la société Balzers qui permet d analyser la composition des gaz résiduels de la pompe de référence et de la pompe d essai. 3. Procédure L enceinte a été étuvée à 300 C pendant 24 heures (V1 et V2 à 200 C) avec les deux pompes en communication avec l enceinte (vannes V1 et V2 ouvertes). La vanne V1 est fermée après le dégazage de l analyseur et de la jauge. Quelques heures après l étuvage le groupe de pompage est isolé par la vanne V4, et la vanne V3 qui relie la pompe scroll est ouverte pour vérifier l impact sur le vide secondaire. Après cela, la pompe à palettes ou un groupe turbomoléculaire sont reliés à la pompe A (V4 ouverte, V3 fermée) afin de comparer les différents types de pompes primaires. Pour vérifier s il y a une influence sur la pression partielle de la vapeur d eau au niveau de l enceinte à vide, le flexible reliant la pompe scroll à la pompe turbomoléculaire est plongé dans l azote liquide. 4. Résultats Deux heures après l arrêt de l étuvage, la pression dans l enceinte obtenue par la pompe turbomoléculaire de test pompée au refoulement par le groupe de pompage turbomoléculaire (le système est encore à environ 60 C) est de 3.2*10-9 torr, dont 9% de vapeur d eau. Dix minutes après avoir basculé le prévidage sur la pompe scroll, la pression est de 3.1*10-9 torr (l enceinte refroidie lentement) mais la participation du pic d eau est monté à 21.5% (6.7*10-10 torr). Trois heures après la fin d étuvage, nous obtenons une pression de 2.4*10-9 torr, on observe encore au spectromètre de masse une augmentation du pic 18 qui se situe maintenant à 43% de la pression totale, soit 1*10-9 torr. Vers 70 heures de pompage, la pression totale (la pompe de test étant connectée à la pompe Scroll) se stabilise à 5.4*10-9 torr, la pression partielle d eau atteint 2.4*10-9 torr soit 44.4%. Pour les autres gaz nous avons : H 2 : 33%, CO : 8%, CH 4 : 4.1%, et CO 2 : 10%

pompe est 2*10-3 torr), ou une pompe à palettes à deux étages de 12 m 3 /h (pression limite =7*10-4 torr) ou d un groupe de pompage turbomoléculaire.

4 Le refoulement de la pompe de test est alors connecté au groupe de pompage turbomoléculaire. La pression totale passe de 5.4*10-9 torr à 2.6*10-9 torr 19 heures après, avec une participation de vapeur d eau de 8*10-10 torr (31%). Le pourcentage des autres composants étant 38% pour H 2, 9% pour CO, 6% pour CH 4 et 16% pour CO 2. Cela signifie aussi un reflux d eau en provenance de la pompe malgré une pression primaire de 5*10-6 torr. En utilisant la pompe primaire à palettes CIT Alcatel 2012A comme pompe de prévidage par rapport à la pompe scroll le pic d eau est 1.6 fois plus bas. Nous observons peu de différence pour les autres gaz. La pression passe de 5.4*10-9 torr à 4.1*10-9 torr. Pour les trois types de pompe utilisées au refoulement de la pompe turbomoléculaire de test les compositions gazeuses mesurées sont données dans le tableau ci-dessous. Tableau 1 : pressions obtenues avec trois différentes pompes de refoulement Gaz résiduel Pompe à palettes Pompe scroll Groupe turbomoléculaire Pression partielle % Pression partielle % Pression partielle % (torr équivalent N 2 ) (torr équivalent N 2 ) (torr équivalent N 2 ) H 2 1.6* * * CH 4 1.8* * * H 2 O 1.4* * * CO 3.1* * * CO 2 6.1* * * C x H y <2*10-13 <2*10-13 <2*10-13 Pression 4.1* * *10-9 totale Pression de refoulement 7*10-4 2*10-3 5* Origine de la vapeur d'eau Le tableau 1 montre la présence d'une quantité d'eau importante et inattendue dans un système étuvé. Des tests supplémentaires ont été effectués pour déterminer l'origine de ce gaz. Pour déterminer si l eau vient principalement de la pompe scroll, le flexible reliant la pompe turbomoléculaire et la pompe scroll a été immergé dans l azote liquide. Dans ce cas la pression totale passe de 5.4 à 4.4*10-9 torr. Cette diminution de la pression est due principalement à celle de la vapeur d eau. La mème expérience conduite avec la pompe à palette n'a pas d'influence sur la pression dans l'enceinte. Afin de comparer les deux pompes turbomoléculaires la vanne V1 vers le groupe de pompage de référence (V2 fermée), a été ouverte. Trente heures après ouverture une pression de 6.6*10-10 torr a été relevée avec le pic 18 à 3.8*10-11 torr (5.8%). Vers 100

Cela signifie aussi un reflux d eau en provenance de la pompe malgré une pression primaire de 5*10-6 torr.

5 heures la pression totale est de 3.9*10-10 torr, la pression de vapeur d eau de 1.7*10-11 torr (4.3%). Ces mesures montrent qu'après étuvage la pression partielle d'eau obtenue dans le système de mesure avec la pompe de référence et avec la pompe A est très différente (1.4*10-9 pour la pompe A, 1.7*10-11 torr pour la pompe de référence). L'eau en excès semble donc provenir de la pompe A. L'expérience avec l'azote liquide montre aussi que la pression partielle d'eau dans le système est influencée par la pression au refoulement de la pompe A ce qui peut s'expliquer par une compression insuffisante de cette pompe. 5.1 Mesure du taux de compression Nous avons donc mesuré le taux de compression pour l hydrogène, le néon et l azote de la pompe A ainsi que pour la pompe de référence. Pour la pompe de référence les taux de compression correspondent à peu près à ceux donné par le constructeur (1*10 8 pour N 2, 7*10 3 pour He et 6*10 2 pour H 2 ). Par contre en ce qui concerne la pompe de test pour le néon (taux de compression voisin de celle de la vapeur d eau) nous trouvons un taux de 8.6*10 5, soit un facteur 10 plus bas que pour la pompe de référence. Pour l azote nous trouvons un taux de 2.7*10 6 soit 18 fois plus bas que le taux donné par le fabricant. 6. Conclusion Il n y a pas de grande différence entre le prévidage avec une pompe scroll ou une pompe à palettes. En particulier, dans les deux cas, les pressions partielles d'hydrocarbures ne sont pas mesurables (p< 2*10-13 Torr). En utilisant une pompe primaire à bain d huile par rapport à la pompe scroll, le pic d eau est 1.6 fois plus bas du fait du bas taux de compression de la pompe turbomoléculaire A et du meilleur taux de compression de la pompe primaire à palettes. Nous observons peu de différence pour les autres gaz. Le taux de compression de la pompe A n est pas conforme aux spécifications du constructeur (5*10 7 pour N 2, 2.7*10 6 mesuré). Ceci explique une pression partielle d eau excessive dans le gaz résiduel d un système étuvé. Dans le domaine des très basses pressions cette pompe est donc à déconseiller, mais elle peut-être utilisée pour le prévidage et durant l'étuvage d installations à vide.

7*10-11 torr pour la pompe de référence). L'eau en excès semble donc provenir de la pompe A.

6 Tableau 2 : caractéristiques techniques de la pompe A

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