par Jean LECLERC Ingénieur de l École supérieure de chimie industrielle de Lyon Docteur 3 e cycle chimie minérale et structurale Consultant

Production du vide par Jean LECLERC Ingénieur de l École supérieure de chimie industrielle de Lyon Docteur 3 e cycle chimie minérale et structurale Consultant. Rôle d une pompe à vide... BM 4 270-3 2. Classification des pompes à vide... 4 3. Caractérisation des pompes à vide... 5 3. Pression limite d aspiration... 6 3.2 Débit-volume ou vitesse de pompage... 6 3.3 Taux de compression... 8 3.4 Pression critique de refoulement... 9 3.5 Pression de refoulement maximal... 9 3.6 Puissance d aspiration... 9 3.7 Rétrodiffusion d huile et contamination... 0 3.8 Pression maximale tolérable d aspiration de vapeur d eau et charge tolérable de vapeur d eau... 0 3.9 Autres caractéristiques... 4. Mesures des caractéristiques d une pompe à vide... 2 4. Mesure du débit-volume... 2 4.2 Mesure de la pression limite... 4 4.3 Mesures des autres caractéristiques... 4 5. Aspects énergétiques de la mise en vide... 4 5. Action sur les installations existantes... 5 5.2 Conception d installations nouvelles et réingénierie... 6 6. Huiles pour pompes à vide... 7 6. Propriétés des huiles de pompes à vide... 7 6.2 Différentes huiles utilisables dans les pompes à vide... 9 6.3 Vieillissement de l huile... 9 6.4 Régénération de l huile... 20 6.5 Problèmes de sécurité... 2 6.6 Considérations économiques... 2 6.7 Conclusion... 2 Doc. BM Pour en savoir plus... 4270 L es techniques d élaboration de produits et de matériaux qui font appel au «vide» sont de plus en plus nombreuses. Ces techniques (comme la distillation sous vide ou la fabrication des tubes de télévision), sorties des laboratoires depuis longtemps, utilisent les basses pressions (terme plus exact que le terme vide qui engendre toujours des difficultés de compréhension entre utilisateurs et constructeurs) car le domaine couvre treize décades de l atmosphère (0 3 hpa à 0 0 hpa). Comme dans tous les domaines industriels, la course au rendement et à l efficacité de la production a généré des besoins en pompes à vide de plus en plus spécifiques. Les volumes à pomper, les pressions à obtenir pour le bon déroulement des procédés, les débits-volumes des pompes nécessaires à la bonne marche des installations ont amené les constructeurs à améliorer les Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique BM 4 270

PRODUCTION DU VIDE pompes existantes et à concevoir de nouvelles pompes. Les problèmes posés par l environnement (rejets) et la qualité des produits (pollution) ont aussi nécessité la création de nouvelles machines dans lesquelles il a fallu prendre en compte les rendements énergétiques toujours marginalisés dans les recherches de laboratoire, ainsi que les problèmes de maintenance, de sûreté et de sécurité. La très grande variété des applications parmi les nombreux utilisateurs engendre un esprit et une culture du «vide» que les fournisseurs ont quelquefois du mal à saisir. Cela fait que chaque système de pompage doit être personnalisé et les pompes à utiliser choisies avec pertinence. Les notions de vide propre et de pompage dit sec nécessitent encore beaucoup d explication auprès des utilisateurs. Il est impossible d énoncer ici la multitude des cas d application et leurs solutions. De plus, les gains obtenus par les nouvelles technologies ne sont pas toujours économiquement chiffrables lors d une étude théorique. Notations et symboles Symbole Unité Définition C L/s conductance G Pa m 3 quantité énergétique d un gaz (à 20 C en principe) K K 0 taux de compression taux de compression à débit nul ou taux de compression maximal p a Pa pression à l aspiration p Pa pression limite p r Pa pression de refoulement Q ou q G Pa m 3 s puissance d aspiration (capacité d aspiration) pour une pompe q G ou q pv Pa m 3 s flux gazeux q m kg/s débit-masse ou débit massique q v m 3 /s débit-volume S m 3 s débit-volume d une pompe à vide (dénommé aussi vitesse de pompage) S eff m 3 /h débit-volume effectif d une pompe à vide (à la sortie du réservoir) S 0 m 3 /h débit-volume pour un taux de compression unité ρ u kg/m 3 Pa masse volumique unitaire BM 4 270 2 Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique

PRODUCTION DU VIDE. Rôle d une pompe à vide Une pompe à vide est, par définition (norme NF X 0-50), «un dispositif permettant de faire, d améliorer ou de maintenir le vide». C est donc une machine capable d extraire des molécules gazeuses d un réservoir pour les évacuer soit dans l air ambiant, soit dans un autre réservoir. La provenance et la nature de ces molécules peuvent être très variables suivant les applications. En d autres termes une pompe à vide doit être capable d abaisser la pression dans un réservoir puisque la pression est proportionnelle au nombre de molécules gazeuses présentes dans ce réservoir. Cette pression dépend aussi de la température et, suivant celle-ci, il peut être nécessaire de prendre aussi en compte les liquides à forte tension de vapeur ainsi que les corps facilement sublimables. La pompe à vide doit être capable d aspirer un certain flux, de le comprimer et de le refouler à une pression supérieure à la pression d aspiration (figure ). Il est d usage, en technique du vide, plutôt que de parler de flux aspiré, de définir la pompe par son débit-volume. Ce débit-volume est exprimé en m 3 s en unités légales et a pour symbole S. Il est souvent dénommé vitesse de pompage sous l influence anglosaxonne (speed). Cette unité n étant pas toujours pratique on utilisera plutôt : le mètre cube par heure (m 3 /h) pour les pompes primaires ; le litre (décimètre cube) par seconde (L/s) pour les pompes secondaires. Un gros effort de normalisation est en cours, mais les habitudes sont fortement ancrées aussi bien chez les constructeurs que chez les utilisateurs. Afin de faciliter les relations entre fournisseurs et utilisateurs, on fractionne le vaste domaine des pressions couvert par les techniques du vide en sous-domaines ayant reçu chacun une appellation spécifique mais dont les frontières ne sont nullement codifiées de sorte qu elles peuvent varier assez largement selon les auteurs. On peut néanmoins distinguer : le vide grossier de 0 5 à 0 2 Pa ; le vide moyen de 0 2 à 0 Pa ; le vide poussé de 0 à 0 5 Pa ; l ultra-vide de 0 5 à 0 8 Pa ; le vide extrême de 0 8 à 0 2 Pa. Bien entendu, quel que soit le domaine dans lequel on envisage de travailler, il reste indispensable de franchir tout le spectre des pressions, de la pression atmosphérique à la pression de travail. Pression p r p a Réservoir p Canalisation de liaison p : pression dans le réservoir p a : pression à l'aspiration Pompe Canalisation de refoulement Atmosphère Figure Schéma fondamental du pompage en technique du vide : évolution de la pression p a p r p r : pression au refoulement Les pompes capables de refouler directement à la pression atmosphérique sont appelées pompes primaires. Certaines pompes ne peuvent fonctionner et refouler qu à une pression souvent très inférieure à la pression atmosphérique : on les appelle pompes secondaires. Elles ne peuvent être mises en œuvre que prévidées par une pompe primaire que l on appelle alors pompe préliminaire ou pompe de prévidage et qui refoule à la pression atmosphérique. Dans certaines conditions, quelques pompes peuvent être à la fois primaires et secondaires, c est-à-dire fonctionner de la pression atmosphérique au vide poussé. Il existe aussi des pompes à vide qui peuvent refouler à une pression très nettement supérieure à la pression atmosphérique (plusieurs bars). Afin d améliorer les performances en pression limite, il est courant de coupler en série plusieurs pompes du même type. Ce couplage est parfois réalisé à l intérieur d une même machine. On parlera alors de pompes monoétagées, biétagées, triétagées,..., multiétagées. Les différents étages peuvent avoir des «cylindrées» différentes afin de tenir compte de la quantité de gaz et de la pression relative dans chaque corps de compression. Le lecteur pourra utilement se référer à l article Compresseurs volumétriques [] de ce traité, les pompes à vide étant aussi, par définition, des compresseurs. La quantité de gaz pompé (nombre de molécules) s exprimera suivant les utilisateurs soit en termes de débit massique (q m ), soit en flux gazeux (q v ). On parlera aussi de puissance d aspiration Q ou q pv qui, suivant la norme NFX 0-50, est le flux gazeux qui s écoule à travers l admission de la pompe. Certains parlent de capacité d aspiration qui est un terme inadéquat car il est plutôt réservé aux pompes à fixation et représente la quantité totale de gaz pouvant être fixée par la pompe. L unité légale pour exprimer la puissance d aspiration est le Pa m 3 s qui est équivalent au watt. On emploie plutôt maintenant le symbole Q mais aussi q G puisque G = pv (quantité énergétique d un gaz). Ce flux est égal au produit du débit-volume à l aspiration de la pompe par la pression p prise à cet endroit : q G = ps ou Q = ps Ce langage, issu des habitudes des «vidistes», n est pas toujours clair. Le débit-volume est un volume «géométrique» (cylindrée) ; pour un gaz donné, à une température et sous une pression données, il correspond au débit massique si on multiplie sa valeur par la masse spécifique prise dans les mêmes conditions. Certains constructeurs parlent alors de débit nominal qui est le volume géométrique balayé par le mécanisme de la pompe. Ce débit nominal sera fonction de la vitesse de rotation du moteur. On trouve ainsi, dans les caractéristiques des notices techniques, la valeur des débits-volumes pour les pompes entraînées par des moteurs alimentés en 50 Hz et en 60 Hz. Il convient donc de faire attention. Les logiciels de calcul des installations de vide ne spécifient pas toujours ce fait quand ils comportent des données enregistrées sur les pompes. Une pompe primaire (pompe volumétrique) de débit-volume 200 m 3 /h (55 L/s) à hpa est capable de pomper à 0 C un débit massique de 72 mg d air par seconde. Une pompe secondaire (pompe à diffusion) de diamètre 000 mm et de débit-volume 50 000 L/s (80 000 m 3 /h) à 0 4 hpa et à 0 C aura un débit massique d air de 7,5 mg/s. Les machines en usage courant couvrent une gamme de débitsvolumes allant de quelques dizièmes de m 3 /h à 0 5 m 3 /h (figure 2). La gamme des pressions mises en œuvre est très vaste de 0 5 Pa ( 000 hpa ou mbar) à 0 2 Pa (0 0 hpa ou mbar) (figure 3). Pour les mesures de pression se reporter à la référence [2]. Certains constructeurs utilisent encore la notion de pourcentage de vide. Une pompe établissant 99 % de vide a, en fait, une pression limite de 0 hpa. Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique BM 4 270 3

PRODUCTION DU VIDE Débit (m 3 /h) 8 6 4 2 0 000 8 6 4 2 000 8 6 4 2 00 8 6 4 2 0 0 3 2 Débit (m 3 /h) 00 000 0 000 000 00 Roots + piston oscillant (PO) Piston oscillant (PO) Boosters Éjecteurs PO + Roots PP + Roots PP + Roots PO + Roots 4 6 8 0 2 2 4 6 8 0 2 4 6 8 2 4 6 8 2 4 6 8 2 4 6 8 0 00 000 (Pression (hpa) Boosters Éjecteurs Roots Anneau liquide (AL) + Roots Anneau liquide (AL) + éjecteur + Roots Pompe à palettes à 2 étages Pompe à palettes (PP) à étage Boosters Éjecteurs Roots MP + Roots PO + Roots PP + Roots PO PO ou PT + Roots PP + Roots MP + Roots Multipalettes (MP) avec soupapes huile recyclée AL + Roots Éjecteurs AL + Roots Éjecteurs MP + Roots PO + Roots PO ( 000 m 3 /h) MP huile recyclée AL + éjecteurs Éjecteurs Multipalettes (MP) sans soupapes huile perdue Éjecteurs MP huile perdue AL Éjecteurs Dépresseurs Roots MP huile perdue MP huile recyclée AL Éjecteurs PP et 2 étages MP huile recyclée PP 2 étages PP AL + éjecteurs Éjecteurs 0 0 0 3 0 2 0 0 00 000 Pression (hpa) Débit (m 3 /h) 00 000 0 000 600 00 Ultravide < 0 7 mbar < 0 5 Pa Vide poussé 0 7 à 0 3 mbar 0 5 à 0 Pa Pompes turbomoléculaires Pompes à diffusion Pompes à sublimation Vide moyen 0 3 à mbar 0 à 0 2 Pa Vide grossier à 0 3 mbar 0 2 à 0 5 Pa Pompes à vide à piston alternatif Pompes à vide à membrane Pompes à vide à anneau liquide Pompes à vide rotatives à palettes Pompes à vide multipalettes Pompes à vide à plateau oscillant Pompes à vide à piston oscillant Pompes Roots multiétagées Pompes à diffusion-éjecteur Pompes à vis Pompes à spirales Pompes à becs (claw) Pompes à vide Roots Turbopompes à vide Pompes à vide à anneau gazeux Pompes moléculaires Pompes à vide à jet de liquide Pompes à vide à jet de vapeur Pompes à adsorption Pompes ioniques à pulvérisation Figure 2 Domaines d utilisation des machines d usage courant 2. Classification des pompes à vide Les pompes à vide ont été classées suivant leur principe physique de fonctionnement. Ce classement (norme NFX 0-50 ou DIN 28400) reste valable malgré l apparition sur le marché de nouvelles pompes qui se classent dans les sous-rubriques. La révision des normes est en cours (comité ISO, TC 2) (cf. [3]). On distingue deux grands groupes de pompes à vide (figure 4) : Les pompes qui, à travers un ou plusieurs étages de compression, extraient les molécules de gaz ou de vapeur des réservoirs à pomper et les refoulent à une pression supérieure. On les appelle pompes de transfert ou pompes d extraction ; les pompes qui fixent les molécules de gaz ou de vapeur sur une paroi solide par la condensation ou la sorption de celles-ci ou par procédé chimique dans des conditions telles que la réémission de la surface piégeante soit extrêmement faible. Ce sont les pompes à fixation. Certaines pompes récentes peuvent utiliser les deux phénomènes (pompes turbo-cryo). Le premier groupe, de loin le plus important, se divise en deux grands sous-groupes selon des principes physiques conduisant à des systèmes très différents : Pompes à getter Cryopompes 0 0 0 0 9 0 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 0 0 2 0 3 Pression (hpa ou mbar) Figure 3 Gamme de pressions mises en œuvre dans les pompes à vide les pompes volumétriques qui sont des pompes dans lesquelles un volume rempli de gaz est isolé cycliquement de l admission, ce gaz étant ensuite transféré vers un refoulement. Dans la plupart des pompes de ce type, le gaz est comprimé avant son refoulement ; les pompes cinétiques dans lesquelles une quantité de mouvement est communiquée aux gaz ou aux molécules de façon telle que le gaz soit transféré de l admission vers le refoulement. On distingue les pompes cinétiques à fluide moteur et les pompes cinétiques à entraînement mécanique. Nombre de ces pompes ne peuvent fonctionner que reprises par une pompe primaire. Pompage par dilution Parmi les nombreux procédés industriels utilisant les techniques du vide, certains sont très spécifiques : on cherche non pas à faire le vide mais à extraire d un mélange gazeux (air par exemple) une espèce chimique interdisant le fonctionnement. La pression partielle d un gaz actif dans l air atmosphérique (dioxygène) peut être réduite à une valeur négligeable en utilisant la BM 4 270 4 Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique

PRODUCTION DU VIDE Classification des pompes à vide basée sur leur principe de fonctionnement Pompe à transfert de gaz Pompe à fixation Pompe volumétrique Pompe cinétique Pompe alternative Pompe rotative Pompe à entraînement mécanique Pompe à fluide moteur Pompe à ionisation Pompe à adsorption Pompe à piston alternatif Pompe à anneau liquide Dépresseur à turbine Pompe à éjecteur Pompe à sorbeur Pompe à palettes Pompe moléculaire mécanique Trompe à eau Pompe à sublimation Pompe à piston tournant Pompe à piston oscillant Dépresseur Roots Pompe turbomoléculaire Éjecteur à gaz Éjecteur à vapeur Pompe ionique à sorbeur Pompe ionique à sublimation Pompe à vis Pompe à diffusion Pompe ionique à pulvérisation Pompe à becs Pompe à diffusion et à éjecteur Pompe cryostatique Pompe à bain Pompe à spirale Pompe à circuit fermé Condenseur Figure 4 Tableau de classification des pompes à vide technique dite de pompage par dilution. Cette technique consiste à évacuer le réservoir contenant le gaz actif (usuellement l air) à une pression relativement basse, puis à le remplir d un gaz inerte à une pression moyenne et à pomper à nouveau ces gaz. En répétant l opération plusieurs fois on élimine le gaz gênant. Par exemple, dans l industrie des ampoules électriques, on utilise cette technique pour évacuer le dioxygène et la vapeur d eau de l air en les remplaçant par du diazote. On obtient une pression partielle de dioxygène de 2 x 0 7 Pa après avoir pompé jusqu à hpa puis après avoir rempli l ampoule sous 0 4 Pa de diazote et répété l opération quatre fois. Cette application a amené la construction industrielle de pompes à vide spécifiques. On résout ainsi le problème d une très faible quantité de dioxygène dans l ampoule en évitant l utilisation coûteuse et longue d un pompage sous vide poussé. En appelant P pu la pression partielle ultime du gaz actif obtenue après n dilutions, on obtient : P pu P P f ---- n = P r avec P pression partielle du gaz actif après la première évacuation, P f P r n pression à laquelle le réservoir est évacué de manière répétitive, pression à laquelle le réservoir est rempli avec le gaz neutre, nombre de cycles. 3. Caractérisation des pompes à vide Toutes les pompes à vide peuvent être caractérisées par des grandeurs mesurables dont les principales sont : le débit-volume ou vitesse de pompage ; la pression limite d aspiration ; le taux de compression maximale ; la pression critique de refoulement maximale ; la pression de refoulement maximale. Ces caractéristiques ne sont pas totalement indépendantes les unes des autres (cf. 3.3). Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique BM 4 270 5

PRODUCTION DU VIDE 3. Pression limite d aspiration On appelle pression limite d une pompe (cf. norme NF X 0-50) «la valeur vers laquelle tend asymptotiquement la pression dans un dôme d essai normalisé en l absence d introduction de gaz, la pompe fonctionnant normalement. On peut distinguer la pression limite due aux seuls gaz non condensables de la pression limite totale due aux gaz et aux vapeurs». C est en fait la pression la plus basse que la pompe permet d obtenir en pompant sur un volume faible et propre, c est-à-dire pratiquement sur elle-même. Si une pression limite de faible valeur est un critère certain de qualité, on peut se poser valablement la question de savoir si cela est utile car, très souvent, les pompes sont utilisées à des pressions plus élevées, le débit-volume à cette pression limite étant nul. Deux phénomènes sont à prendre en considération : le premier est l influence de la pression limite sur la partie basse de la courbe débit-volume/pression (cf. 3.2) ; le second est d ordre pratique : on ne se trouve que rarement dans les conditions idéales dans lesquelles les constructeurs relèvent les caractéristiques sur des pompes neuves et propres. Une pompe à joint d huile usagée et surtout dont l huile est polluée, soit par des condensats, soit par l humidité atmosphérique, soit même par un fonctionnement prolongé, n a plus les mêmes caractéristiques. Il est donc prudent de prévoir une marge de sécurité et d adopter une pompe dont la pression limite soit sensiblement plus basse que la pression que l on cherche à obtenir ; un facteur 0 constitue un minimum et nous recommandons plutôt entre 50 et 00 car, dans un certain nombre d applications, il faut plutôt parler des pressions partielles que de la pression totale. En effet, un problème important se pose : celui de la mesure de la pression limite et de la signification de cette mesure. Pour que cette valeur de la pression limite soit significative, il est indispensable de savoir par quelle méthode de mesure elle a été relevée. Il est en effet bien connu [2] que la quasi-totalité des manomètres utilisés pour la mesure des basses pressions (le vide) ont une sensibilité variable en fonction de la nature du gaz, hormis les manomètres mécaniques, et deux appareils de principes différents (et quelquefois de même type) peuvent donner des indications dissemblables lorsqu ils sont montés sur le même système (cf. 4.2, mesure de la pression limite). Pour certaines pompes telles que les pompes mécaniques à bain d huile et à joint d huile ou les pompes à diffusion, une, voir deux décades entre les deux mesures peuvent être relevées (figure 5). Pour bien comprendre ces différences, il faut considérer que les pompes à vide travaillent pratiquement sur chacun des gaz comme s il était seul. Une analyse spectrographique de l atmosphère résiduelle montre que, pour la plupart des pompes, elle est souvent constituée de vapeur d eau et de vapeur d huile pour une fraction non négligeable. On devrait donc, dans une pompe quelle qu elle soit, tenir compte de la composition de l atmosphère résiduelle pour parler correctement de la pression limite. Un capteur piégé avec de l azote liquide (manomètre Mac Leod, par exemple, encore utilisé en métrologie) ne mesure en fait que la pression partielle des gaz permanents, c est-à-dire essentiellement le diazote, le dioxygène, l argon et le dihydrogène. Les pompes actuelles permettent d atteindre les pressions données sur la figure 3. Les valeurs sont données en pression totale et constituent des valeurs moyennes. La pression limite d aspiration des pompes à vide dépend de plusieurs paramètres : la présence de volumes morts ; la pression de vapeur saturante du fluide moteur ou d étanchéité ; le dégazage de gaz dissous dans le fluide moteur ou d étanchéité ; Débit-volume S 0 0 5 0 4 0 3 0 2 0 0 0 2 0 3 Pression (hpa) P T P T 60 Hz 50 Hz courbes de pression partielle mesurée selon méthode Pneurop courbes de pression totale mesurée avec une jauge capacitive courbes de pompage avec lest d'air ouvert Figure 5 Caractéristiques d une pompe volumétrique à joint d huile en 50 Hz et 60 Hz (doc. Alcatel) la désorption des matériaux constitutifs de la pompe ; les fuites internes et fuites virtuelles ; la saturation des matériaux adsorbants (cas de pompes à fixation) ; la pression de refoulement, dans certains cas, pour les pompes secondaires (cas des pompes Roots et des pompes turbomoléculaires, par exemple). L importance de ces facteurs varie d un type de machine à l autre. Nota : la pression limite dans l enceinte à pomper dépend, elle, de nombreux autres facteurs (désorption, dégazage, fuites, conductance de la liaison entre la pompe et l enceinte...) (cf. [4]). 3.2 Débit-volume ou vitesse de pompage Avec la pression limite, le débit-volume est la caractéristique principale d une pompe à vide. C est la grandeur la plus couramment utilisée. La norme NF X 0-50 nous en donne la définition suivante : «Débit-volume, extrait par la pompe, de la phase gazeuse de l enceinte à évacuer. Ce type de définition n est applicable qu à des pompes qui constituent un ensemble distinct et séparé de l enceinte à vide. Toutefois, pour des raisons pratiques, le débitvolume d une pompe donnée pour un gaz donné est, par convention, défini comme étant le quotient du flux gazeux du gaz considéré, issu d un dôme d essai normalisé connecté à la pompe, par la pression d équilibre mesurée en un point spécifié du dôme d essai et dans des conditions de fonctionnement spécifiées». La norme NF X 0-500 nous donne une définition plus générale du débitvolume q v : c est «à travers une surface donnée S, le quotient du volume de gaz de température et de pression définies qui traverse pendant un intervalle donné de temps, par ce temps». Le débit-volume d une pompe à vide est, dans la quasi-totalité des cas, variable avec la pression d aspiration et tous les constructeurs donnent, dans leur documentation technique, les courbes de variation du débit-volume en fonction de la pression. BM 4 270 6 Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique

PRODUCTION DU VIDE Débit-volume S S 0 0 p p pression limite lg p a p a pression à l'aspiration Figure 6 Caractéristiques d une pompe d extraction Débit-volume S S 0 Débit-volume (m 3 /h) 260 S 4 p 4 S 3 p 3 S 2 p 2 S p 240 220 200 80 60 S 5 p 5 S 6 p 6 S 7 p 7 S 8 p 8 S 9 p 9 40 20 S 0 p 0 00 80 60 S p p 2 40 0 3 0 2 0 0 0 0 2 0 3 0 4 Pression (hpa) Figure 8 Exemple d utilisation de la courbe débit-volume/pression pour déterminer le temps de pompage d un réservoir 0 p p pression limite lg p a p a pression à l'aspiration Figure 7 Caractéristiques d une pompe secondaire Ces courbes ont l allure générale indiquée sur la figure 6 où l on distingue deux parties principales : un palier sur lequel le débit-volume S est pratiquement constant (pour les pompes à joint d huile dont l étanchéité interne est assurée) ; une partie décroissante dont la concavité est tournée vers le bas pour atteindre une valeur nulle lorsque l on atteint la pression limite. Nous avons signalé précédemment qu il y avait plusieurs façons de mesurer la pression limite d une pompe qui donnent des valeurs très différentes les unes des autres. Cela a une incidence directe sur la courbe débit-volume/pression qui se décale par translation, dans sa partie basse, avec la pression limite. Il faut noter aussi que la position du capteur pour la mesure du débit-volume n est pas indifférente. Suivant la position utilisée (qui correspond d ailleurs à des normes différentes), le débit-volume peut varier de 60 %. Les pompes secondaires ont une courbe un peu différente (figure 7) dans la partie haute pression car il est nécessaire d amorcer ces pompes pour les amener en régime d écoulement moléculaire. Utilisation de la courbe débit-volume/pression pour déterminer le temps de pompage d un réservoir Le temps de vidange d un réservoir de volume V sans fuite est donné par la relation : t = 2, 3 (V/S) lg p / p 2 (cf. [4]) Mais S n étant pas constant, il faut déterminer sa valeur pour chaque pression à l aide de la courbe de la figure 8. Tableau Calculs pour l exemple de la figure 8 () Segment Débit-volume (m 3 /h) p n Pression ------------- p n + (hpa) p n lg ------------- p n + Ces calculs sont désormais effectués à l aide de logiciels. Temps S 250 000/00 0,0920 S 2 245 00/0 0,0938 S 3 242 0/2 0,7 0,0665 S 4 235 2/0,5 0,6 0,0587 S 5 230 0,5/0,2 0,4 0,0400 S 6 225 0,2/0, 0,3 0,0306 S 7 85 0,/0,05 0,3 0,0373 S 8 58 0,05/0,03 0,22 0,0320 S 9 30 0,03/0,02 0,7 0,0300 S 0 80 0,02/0,0 0,3 0,0862 S 55 0,0/0,008 0,097 0,0405 Temps total... 0,607 h soit 36,42 min () n varie de à. Exemple : soit la courbe débit-volume S d une pompe de débit nominal 250 m 3 /h en fonction de la pression P. Pour calculer le temps que mettra la pompe à vidanger un réservoir de volume V (0m 3 ), on divise la courbe en segments et on la confond avec une succession de segments de droites pris entre deux points de pression p, p 2... À chaque segment correspond une valeur moyenne de débit-volume S. Il suffit de calculer les temps pour chaque segment et les additionner pour avoir le temps total pour passer de la pression p a ( 000 hpa) à la pression p (dans ce cas 8 x 0 3 hpa). Les résultats sont récapitulés dans le tableau. (h) Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique BM 4 270 7

PRODUCTION DU VIDE 3.3 Taux de compression On utilise aussi parfois, pour caractériser une pompe à vide, son taux de compression : «rapport de la pression de refoulement à la pression d aspiration, pour un gaz déterminé». Ce taux de compression est lié aux autres paramètres (débitvolume et pression limite). En effet : avec p a pression d aspiration, p r pression de refoulement, q flux de fuite interne considéré comme proportionnel à p r p a, S débit-volume de la pompe, S 0 débit-volume pour un taux de compression unité, K taux de compression, K 0 taux de compression pour un débit-volume nul, C conductance interne ; on peut écrire : p a S = p a S 0 q et q = C (p r p a ) par définition p a S = p a S 0 C (p r p a ) p r = Kp a S = S 0 CK + C = S 0 C (K ) Pour K = K 0 S = 0 S donc C = ---------------- 0 K 0 d où S S 0 S K 0 ---------------- S K 0 = = 0 ----------------- K K 0 K 0 K S = S 0 ----- si K K 0 >> 0 S S 0 0,9 S 0 Figure 9 Courbe débit-volume en fonction de la pression d une pompe volumétrique à joint d huile (doc. Alcatel) Taux de compression K 0 0 0 lg p 0 lg p p pression S débit-volume S = S 0 K K 0 lgp Cette formule n est pas valable pour les pompes ayant un taux de compression faible (dépresseurs Roots, par exemple). En pratique on utilisera une formule équivalente dans laquelle apparaît la pression d utilisation p et la pression limite p. On a donc alors : S S 0 p = ----- p 0 8 N 2 formule que traduit la courbe de la figure 9. Cette formule peut permettre de retrouver le débit en pression totale, s il est donné en pression partielle ou inversement. Il faut savoir également que les pompes secondaires ne sont pas indifférentes à la nature des gaz pompés et que leur débit-volume varie assez sensiblement d un gaz à l autre, en particulier pour le dihydrogène et l hélium qui sont les gaz les plus difficiles à pomper pour certaines pompes et les plus faciles pour d autres. Il faut se rappeler que, dès que l on se trouve en régime d écoulement moléculaire, une pompe à vide est un piège à molécules et non un aspirateur. En effet, une pompe secondaire retient la plus grande partie des molécules qui se présentent à son entrée et le taux de compression sera très variable selon la nature des gaz. La figure 0 donne un exemple pour une pompe turbomoléculaire. Le cas particulier des pompe Roots mérite une attention spéciale. Le taux de compression maximal d une pompe Roots est relativement faible (0 à 50). Il en résulte que le débit-volume varie très sensiblement en fonction du débit de la pompe préliminaire qui lui est associée. Il est indispensable de se rappeler cette caractéristique lorsqu on sélectionne une pompe Roots car, dans certains cas, le débit vrai du groupe de pompage peut être de 30 à 40 % inférieur à celui du débit nominal de la pompe. Le tableau de la figure 2 résume l échelle des débits-volumes existants dans les pompes commerciales. 0 6 0 4 0 2 He H 2 0 3 0 0 Pression à l'aspiration de la pompe (hpa) Figure 0 Variation du taux de compression selon la nature du gaz dans une pompe turbomoléculaire BM 4 270 8 Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique

PRODUCTION DU VIDE 3.4 Pression critique de refoulement C est, par définition, la «pression au refoulement au-dessus de laquelle un éjecteur à vapeur ou une pompe à diffusion cesse de fonctionner correctement. C est la valeur la plus élevée de la pression au refoulement pour laquelle une légère augmentation de celle-ci ne provoque pas encore d augmentation sensible de la pression à l aspiration. La pression critique de refoulement dépend principalement du flux gazeux». Cette grandeur caractérise essentiellement les pompes secondaires, puisque les pompes primaires sont capables de refouler les gaz aspirés contre la pression atmosphérique et même au-delà, certaines d entre elles étant capables de refouler jusqu à des pressions absolues de plusieurs bars. Les valeurs de la pression critique de refoulement, pour les pompes secondaires, sont indiquées dans les catalogues des constructeurs, sauf généralement pour les dépresseurs Roots. Pour ces derniers, on indique, la plupart du temps, la différence de pression maximale qu ils peuvent supporter. Cette grandeur, de l ordre de 20 à 50 hpa augmente avec la pression d aspiration de la pompe et rend souvent délicate la détermination de la taille de la pompe préliminaire qui doit être associée à un dépresseur Roots (on choisit généralement un rapport de débits compris entre 3 et 0). Cette pression critique de refoulement ainsi que le débit-volume à cette pression est indispensable à connaître pour réaliser un bon couplage entre la pompe primaire et la pompe secondaire. Remarque Pour certaines pompes, ce phénomène ne se produit pas brusquement et il n est pas possible d indiquer avec précision une pression critique de refoulement. À ce moment, le flux gazeux émanant de la pompe secondaire doit pouvoir être repris entièrement par la pompe primaire, sinon il y a désamorçage (figure ). Dans le cas des pompes turbomoléculaires, la vitesse de rotation chute et les systèmes de sécurité peuvent arrêter la pompe puis la remettre en marche si la pression le permet. Q (Pa. m 3. s ou W) 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 0 0 2 2 2a a 0 3 0 2 0 0 0 2 0 3 0 4 0 5 Débit-volume : 60 m 3 /h p a (Pa) Courbe : pompe monoétagée sans lest d'air Courbe a : pompe monoétagée avec lest d'air Courbe 2 : pompe biétagée sans lest d'air Courbe 2a : pompe biétagée avec lest d'air Figure 2 Puissance (capacité d aspiration) d une pompe à joint d huile Flux (sccm) 0 3 0 000 000 00 0 0 2 Gaz : N 2 0 0 5 0 4 0 3 0 2 0 0 Pression d'aspiration (mbar) sccm : standard cubic centimeter par minute ATH 000 M Pression d'aspiration (Pa) 0 0 2 0 3 Limites d'utilisation en fonctionnement continu ATH 400 M Figure 3 Puissance d aspiration au flux (en sccm) en fonction de la pression (doc. Alcatel) Débitvolume Débit-volume constant Flux constant Pompage (surcharge) mécanique 3.5 Pression de refoulement maximal C est la «pression à l aspiration correspondant au débit maximal de gaz que peut supporter la pompe en marche continue sans être détériorée». p autres pompes primaires Point critique de refoulement Pression Figure Influence de la pression critique de refoulement dans une association pompe primaire mécanique-pompe à diffusion 3.6 Puissance d aspiration Encore appelée capacité d aspiration, elle est définie comme étant le flux gazeux Q ou q pv en Pa m 3 s (ou watt) qui s écoule à travers l admission de la pompe. Nous avons donc par définition : Q = ps C est l équation de base des «vidistes». Cette puissance d aspiration est donnée dans certains catalogues conjointement avec la courbe débit-volume/pression (figure 2) pour différents types de pompes. Pour les applications dans l industrie des semi-conducteurs, cette puissance d aspiration est donnée en une unité non conventionnelle : le sccm (standard cubic centimeter per minute), unité utilisée par les fabricants de débitmètres sous vide qui injectent les gaz de procédé dans les machines de fabrication. Cela facilite le choix de l utilisateur (figure 3) car il a directement le dimensionnement de Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique BM 4 270 9

PRODUCTION DU VIDE Rétrodiffusion (µg/cm 2. h) 50 00 0 0 2 4 6 8 0 2 Flux gazeux (hpa. L/min) Figure 4 Rétrodiffusion d une pompe à joint d huile (d après Backer, Holland et Stanton) la pompe à installer (si, bien sûr, il n y a pas de fuite dans l installation et que les autres paramètres restent constants). 3.7 Rétrodiffusion d huile et contamination La rétrodiffusion des pompes hydrodynamiques et des pompes mécaniques lubrifiées à l huile et même par les graisses est devenue, dans les applications récentes, un facteur important car il caractérise la qualité du vide obtenu et sa propreté [5]. De plus, les gaz extraits de l enceinte, traversant ces pompes de transfert pour une récupération, seront pollués. La purification de ces gaz demande alors un procédé spécifique entraînant des coûts supplémentaires. Dans certains cas, les rejets des gaz à l atmosphère sont impossibles sans traitement (préservation de l environnement) (cf. articles [BM 4 27] et [BM 4 272] de cette rubrique). Toutes les pompes à vide lubrifiées sont émettrices d hydrocarbures ou d huile de synthèse soit en phase gazeuse, soit en phase liquide : c est le cas des pompes à diffusion mais, également des pompes turbomoléculaires des dépresseurs Roots et des pompes à joint d huile et à bain d huile (palettes, multipalettes, piston oscillant...). Bien que la rétrodiffusion d huile des pompes primaires mécaniques à joint d huile soit une caractéristique gênante pour l obtention d un vide propre (figure 4), elle peut être réduite d un facteur 00 environ en utilisant des accessoires (piège, pompe Roots, pompe moléculaire mécanique) en association avec elles. À l aide d artifices simples dans leur mise en œuvre et peu coûteux, on peut également diminuer très nettement la rétrodiffusion intrinsèque des pompes et ainsi arriver à réaliser des groupes de pompage qui peuvent être considérés sans rétrodiffusion mesurable. La quantité d huile (ou plus généralement d hydrocarbures) émise par une pompe lubrifiée dépend des facteurs suivants : la nature de l huile ; la température ambiante et celle de la pompe ; la pression de service ; le temps. Pour diminuer les effets de la pollution générée par la rétrodiffusion d huile des pompes mécaniques à joint d huile, on dispose de plusieurs solutions : contrôler la séquence de pompage en veillant tout particulièrement à la détermination du seuil de commutation entre le pompage préliminaire et le pompage secondaire ; utiliser la pompe à une température la plus basse possible en évitant de la confiner dans des espaces clos où la température ambiante est élevée ; il faut se rappeler qu une pompe mécanique génère un flux de chaleur important qui doit être évacué si l on ne veut pas voir trop augmenter la température de la pompe. Il faudra néanmoins faire très attention à la condensation des vapeurs dans la pompe et, là, le compromis étant difficile à trouver, le recours aux accessoires est indispensable ; équiper l aspiration des pompes de pièges : de nombreux modèles existent sur le marché ; le piège à adsorption à base de tamis moléculaires (zéolithes ou alumine activée) est le plus couramment utilisé car il permet une réduction importante de la rétrodiffusion d huile, mais demande un remplacement fréquent. On utilise aussi des pièges catalytiques qui transforment les molécules d huile en dioxyde de carbone et en vapeur d eau ; utiliser une pompe auxiliaire, montée entre la pompe à joint d huile et l enceinte (pompe Roots, pompe turbomoléculaire, pompe moléculaire). Dans ce cas, il faut néanmoins assurer une bonne séquence de fonctionnement entre les démarrages et les arrêts des pompes. Tout cela a conduit les constructeurs à fabriquer des pompes dites sèches qui, malgré les coûts d investissement plus élevés, sont de plus en plus utilisées à cause, en particulier, d un coût plus faible en exploitation et en maintenance. 3.8 Pression maximale tolérable d aspiration de vapeur d eau et charge tolérable de vapeur d eau C est «la pression maximale d aspiration de vapeur d eau à laquelle une pompe avec ou sans lest d air, dans les conditions normales ambiantes, peut pomper et rejeter en régime continu». La charge tolérable de vapeur d eau représente le débit-masse pour la vapeur d eau en régime continu et dans les conditions normales ambiantes si le gaz pompé est de la vapeur d eau. Ces valeurs sont données par certains constructeurs dans leur catalogues pour aider l utilisateur dans le choix de la pompe à utiliser. Le fait de vouloir pomper des quantités d eau importantes (cas du séchage sous vide, assisté ou non par les hyperfréquences) a amené la réalisation de pompes fonctionnant à des températures relativement élevées (80 C à 95 C et même plus). Cela se fera bien sûr au détriment de la pression limite et de la dégradation de l huile de la pompe. Le compromis pour obtenir une bonne fiabilité sera affaire d expérience car, de plus, on ne pompe que très rarement de l eau pure ; il y a toujours d autres agents chimiques, parfois en faibles traces, ou des produits de dégazage qui compliquent le choix. Aussi est-il recommandé d utiliser plutôt des condenseurs et des pièges en amont des pompes. Ces dispositifs sont parfois intégrés dans les pompes. Les pompes refroidies par eau possèdent alors un régulateur d eau de refroidissement qui commande le débit de passage de l eau de refroidissement en fonction de la température de la pompe, permettant ainsi de maintenir la pompe à la température de service nécessaire. Afin de surveiller le bon fonctionnement des paliers, des palpeurs pyrométriques sont installés. Ils peuvent actionner un ventilateur, une circulation d eau, une alarme. Les pompes à vide actuelles sont de plus en plus gérées par microprocesseurs, car d autres paramètres peuvent aussi être pris en considération (ph de l huile...). BM 4 270 0 Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique

PRODUCTION DU VIDE 3.9 Autres caractéristiques Flasque avant Remplissage 3.9. Étanchéité C est un problème important car il met en jeu plusieurs paramètres liés au bon fonctionnement et à la fiabilité des pompes à vide. Bâti Compartiment étanche (huile) Étanchéité vis-à-vis de l installation à vider Les pompes à anneau liquide, les pompes à joint d huile et les pompes à bain d huile contiennent, par principe, un liquide qui peut se déplacer, si la pompe n est pas étanche, sous l effet de la pression atmosphérique. Après la vidange d un réservoir, une panne de courant peut avoir des effets catastrophiques car le liquide de la pompe va pénétrer dans le réservoir sous vide. La plupart des pompes à joint d huile actuelles sont équipées d organes (clapets) qui les rendent étanches à l arrêt, aussi bien pour l air que pour l huile. Il est néanmoins toujours recommandé d installer une vanne d isolement électromagnétique à fermeture par manque de courant avec remise à l air à l aspiration de la pompe car certaines impuretés ou débris peuvent se loger sous le clapet de la pompe et provoquer de graves détériorations. Rotor Vidange Figure 5 Étanchéité du passage d arbre du rotor (doc. Alcatel) Étanchéité vis-à-vis de l extérieur Les différents joints de carter, de passage de capteur, de niveau d huile peuvent, sous l action combinée des gaz à pomper et de l huile, se détériorer et entraîner des fuites d huile toujours indésirables, surtout dans un local très propre (salle blanche). Il est recommandé de mettre un bac de rétention afin d éviter les gouttes d huile pouvant entraîner des glissades dangereuses. Étanchéité interne à la pompe Dans ce cas, deux types vont nous intéresser : le premier est celui lié au fonctionnement propre de la pompe (étanchéité des palettes, par exemple, sur le stator ; étanchéité relative des lobes dans une pompe Roots...) et qui se traduit par un mauvais taux de compression ; le second sera relatif à l étanchéité des passages de mouvements (arbre moteur-pompe) appelés, dans le langage des fabricants, garnitures mécaniques. Dans tous les systèmes mécaniques de haute technologie, ces garnitures mécaniques posent des problèmes. On se trouve, dans le cas des pompes, avec une interface qui d un côté «renferme» le vide, c est-à-dire les gaz que l on cherche à pomper et, de l autre, soit l atmosphère, soit l huile ou la graisse de lubrification, incluant parfois les roulements de rotation. Il est nécessaire de trouver des matériaux qui résistent à toutes les agressions. De plus, les roulements des paliers chauffent, entraînant une contrainte supplémentaire. Les constructeurs ont développé de nombreux systèmes pour résoudre les problèmes posés [6]. Le montage de la figure 5 est le montage classique d une garniture assurant l étanchéité. On a aussi recours à des entraînements magnétiques. Dans d autres cas, c est le moteur électrique luimême qui est enfermé dans un carter étanche électriquement avec la pompe (figure 6), mais il est nécessaire d évacuer la chaleur due au moteur (en général, par une circulation d eau). Une autre solution consiste à mettre le rotor à courant continu sous vide ; il fait alors partie intégrante de la pompe ; le stator, pour faciliter le refroidissement, sera à la pression atmosphérique. Les constructeurs de certaines machines proposent dans leur catalogue des garnitures mécaniques spécifiques suivant les applications. Dans les cas d activité chimique importante où les gaz transférés peuvent quelquefois provoquer la condensation de produits gênants, un balayage de gaz neutre (diazote en général) est alors assuré (figure 7). 3.9.2 Bruit D autres qualités peuvent être demandées aux pompes à vide suivant les applications. C est, en particulier, le silence de fonctionne- Figure 6 Rotor étanche (doc. Alcatel) Roulements BP graissés (PFPE) Labyrinthe Rotor Stator Cage étanche Purges de gaz neutre Joint à lèvres (Téflon) Figure 7 Étanchéité d arbre avec balayage de gaz neutre (doc. Alcatel) Labyrinthe Roulements HP lubrifiés (PFPE) Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique BM 4 270

PRODUCTION DU VIDE ment car dans certaines usines, plusieurs dizaines de pompes peuvent être installées côte à côte, provoquant un niveau sonore important. Il est alors nécessaire d isoler phoniquement les pompes et d évacuer la chaleur produite, car l isolation phonique est aussi une isolation thermique, en plaçant les pompes dans des galeries techniques où la température sera surveillée. Quelques fournisseurs mettent cette donnée dans leur catalogue. Afin de vérifier le bon fonctionnement des pompes lors des essais techniques de réception, les constructeurs enregistrent les émissions acoustiques de leurs machines. Débitmètre Dôme d'essai Manomètre 3.9.3 Vibrations et pulsations Les vibrations sont aussi parfois gênantes car elles se transmettent aux bâtis par les canalisations ; des harmoniques peuvent se développer et gêner le travail (bâti d étude des surfaces, microscope électronique...). Le fait que, dans certaines pompes mécaniques volumétriques, l aspiration soit cyclique peut aussi gêner. Cela s est traduit, par exemple, par le développement des dépresseurs Roots à trois lobes permettant ainsi d avoir un flux gazeux plus régulier et de diminuer le bruit tout en augmentant la vitesse de rotation, donc le débit. Robinet à fuite réglable Pompe à mesurer 3.9.4 Corrosion Pompe primaire C est bien évidemment un problème posé lors du pompage de gaz chimiquement actifs. Les constructeurs proposent alors des matériaux plus ou moins compatibles avec les gaz pompés. Mais, en plus, ces gaz, toujours en contact avec l huile de la pompe ou l huile de lubrification imposent l installation d accessoires, indispensables si l on veut obtenir une relative longévité de la pompe. Une solution simple consiste quelquefois à diluer les gaz pompés. On utilise alors le dispositif du lest d air ou un balayage de gaz neutre (cf. 6.5). 4. Mesures des caractéristiques d une pompe à vide 4. Mesure du débit-volume La mesure des caractéristiques des différentes pompes à vide a fait l objet d une codification précise de l association Pneurop, association des constructeurs de compresseurs, pompes à vide et outils à air comprimé formée par douze pays européens. Ces normes ont été reprises par l Association Française de Normalisation (AFNOR) et sont à l heure actuelle en cours de révision par l International Organization for Standardization (ISO) (cf. [3] et [Doc. BM 4 270]). Le principe de la mesure des débits-volumes est à peu près toujours le même quel que soit le type de pompe. La pompe dont on veut mesurer le débit est coiffée d un dôme de forme et de dimensions normalisées (figure 8) qui dépendra du débit-volume à mesurer. On introduit un flux gazeux à pression atmosphérique au moyen d un robinet à fuite réglable. Il est mesuré par un débitmètre qui mesure un débit q G ; il se détend dans le dôme et on mesure la pression p en un point parfaitement défini par un manomètre. On écrit Figure 8 Mesure du débit-volume d une pompe secondaire (doc. Pneurop) alors que le débit-volume recherché de la pompe à la pression p est égal à : S ( ou q v ) q ------ G p On réduit ensuite le débit par l intermédiaire du robinet à fuite et l on mesure la nouvelle pression. On comprendra tout de suite, en considérant la formule précédente, que l incertitude de la mesure sur le débit-volume S ou sur q pv est fonction de l incertitude sur la pression p. Or on sait que l incertitude des manomètres (surtout pour des pressions inférieures à 0 3 hpa) est importante. On peut alors utiliser une méthode plus sophistiquée basée sur la connaissance de la conductance d un orifice en paroi mince (figure 9). Dans ce cas nous avons : S ( ou q v ) C p = ----- p 2 C est la conductance calculée en tenant compte des dimensions de l orifice et de la nature du gaz et peut s exprimer par : C = πrt ------------ 32M avec M masse molaire du gaz, R constante molaire des gaz, T température thermodynamique, d diamètre de l orifice. = ------------ + d 2 d -- BM 4 270 2 Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique

PRODUCTION DU VIDE Dôme d'essai Conductance Pression (hpa) 0 3 p Manomètre 0 2 Robinet à fuite réglable Spectromètre de masse Manomètre 0 0 S 65 B S 40 B D 65 B D 40 B 0 2 p 2 Pompe à mesurer Manteau d'étuvage 0 3 0 2 3 4 Temps (min) sans lest d'air avec lest d'air S pompe monoétagée D pompe biétagée Réservoir de 00 L Manomètre Figure 20 Temps de descente en pression pour une série de pompes à joint d huile avec et sans lest d air (doc. Leybold) Robinet à fuite réglable Piège thermique Pompe primaire Cette perte de «performances» est souvent ignorée et conduit de nombreux utilisateurs à des déboires car, si le flux gazeux à pomper est relativement important, il est impossible d obtenir la pression désirée dans un temps raisonnable. Figure 9 Mesure du débit-volume d une pompe secondaire par la méthode de la conductance (doc. Pneurop) L expression + est un facteur correctif qu on peut définir d -- comme étant la probabilité moyenne de passage. Afin d aider l utilisateur, les constructeurs mettent parfois dans leur catalogue une courbe donnant la pression dans un réservoir de volume donné V en fonction du temps. La loi de descente en pression est donnée par (figure 20) : t 2,3 V S -- lg p = ----- p 2 Le débit-volume effectif S eff d une pompe à vide dans l installation est le débit-volume à l endroit considéré, en l occurrence très souvent à la liaison avec l enceinte : --------- = -- + --- S eff S C avec C conductance des liaisons de la pompe à l enceinte. Cette formule permet d évaluer quel sera le débit-volume effectivement disponible. Pour une canalisation d un diamètre de 25 mm et de longueur m, reliée à une pompe de 2 m 3 /h, nous obtenons les résultats suivants : p moy... (hpa) 0 0 0 2 S eff...(m 3 /h),9,25 7,7 4,5 Suivant les types de pompes, nous aurons des courbes débitvolume dont l allure sera différente. Il y a en effet une grande différence de fonctionnement physique entre une pompe primaire et une pompe secondaire. Les pompes secondaires ont besoin d une pression d amorçage pour fonctionner. Remarque On peut trouver encore aujourd hui des résultats d une méthode normalisée antérieurement par l American Vacuum Society (AVS). La méthode AVS, d un principe analogue à la première méthode exposée précédemment, pèche gravement par le dessin du dôme de mesure qui est tel que la pression y est mesurée dans une région où le flux gazeux n est pas maxwellien. Il en résulte que l on trouve, par la méthode AVS, des débits-volumes plus grands d un facteur,5 à 2 que ceux mesurés par la méthode Pneurop. Il est reconnu par tous aujourd hui que la méthode Pneurop est la seule scientifiquement juste et les normes ISO actuellement en cours d homologation la respectent. Cela est surtout valable pour les pompes secondaires. Le marché des pompes à vide est international. Les caractéristiques des pompes à vide dépendent, pour la plupart, de la vitesse de rotation de leur moteur d entraînement qui varie en fonction de la fréquence utilisée (50 ou 60 Hz). Aussi les constructeurs donnent-ils les courbes caractéristiques des pompes à vide dans les deux cas : cela influe sur le débit-volume, puisque le volume balayé est plus important mais aussi, pour certaines pompes, sur les pressions limites (figure 2). Parfois les constructeurs donnent, dans leurs notices techniques et leurs catalogues, le débit-volume théorique (débit nominal) des pompes volumétriques qui est celui calculé à partir des volumes balayés par le mécanisme de compression et qui ne tient pas compte des fuites internes. Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique BM 4 270 3

PRODUCTION DU VIDE Débit-volume S (m 3 /h) 200 50 00 50 C 0200 C 000 0 0 2 0 0 0 0 2 Pression p (hpa) Modèle C 0200 C 000 50 Hz 60 Hz Fréquence (Hz) 50 60 50 60 Pression limite p (hpa) 5 x 0,3 x 0 3 x 0 4 x0 Figure 2 Pressions limites et débits-volumes en fonction de la vitesse de rotation (doc. Busch) 4.2 Mesure de la pression limite La mesure de la pression limite ne pose pas de tels problèmes. C est avant tout une question d atmosphère gazeuse et d étalonnage des manomètres. Les précautions à prendre même en vide primaire sont néanmoins indispensables et sont aussi normalisées par Pneurop et l AFNOR (cf. [Doc. BM 4 270]). Nous rappelons que, dans les pompes contenant de l huile, cette pression limite dépend des lubrifiants utilisés et nous reviendrons sur le sujet lors de la description des pompes (cf. articles [BM 4 27] et [BM 4 272]). La pression limite peut dépendre pour certaines pompes (en particulier Roots et turbomoléculaire) de la pompe préliminaire, aussi est-il souhaitable d indiquer avec quelle pompe la mesure est effectuée. 4.3 Mesures des autres caractéristiques L utilisateur, désireux de réceptionner une installation de vide n aura pas, en général, à entreprendre la mesure d autres caractéristiques que celles évoquées ci-dessus. Toutes les normes Pneurop, AFNOR et DIN, précises et complètes, codifient les méthodes des mesures indiquées dans certains catalogues : de l absorption d eau pour une pompe primaire ; de la rétrodiffusion d huile d une pompe à jet de vapeur ; du taux de compression pour une pompe turbomoléculaire ; de la pression critique de refoulement. Bien que de telles mesures ne puissent pas être incluses dans les essais de réception, il faut savoir que la quasi-totalité des constructeurs les ont adoptées et que les caractéristiques données dans les notices techniques sont établies par ces méthodes, ce qui permet théoriquement une comparaison aisée. 5. Aspects énergétiques de la mise en vide Dans une pompe à vide volumétrique (compression par réduction de volume), on décrit un cycle thermodynamique et la compression ne peut être obtenue qu au prix d une dépense d énergie mécanique. En mettant les choses au mieux et en admettant que la compression est isotherme, la puissance P nécessaire pour comprimer, de la pression d aspiration p a à la pression de refoulement p r un flux de gaz de débit-volume S est donnée par la formule : p r P = p a S ln ----- p a II est clair que, dans cette formule, où p r est constant, la puissance de compression diminue très vite avec p a (p a décroît plus vite que p r ln ----- ). p a Or, si l on veut rapporter la puissance de compression à la puissance réellement dépensée dans une pompe à vide, on s apercevra que la plupart des machines ont des rendements énergétiques déplorables. Exemple en vide poussé : une pompe à jet de vapeur, d un débitvolume de 0 000 L/s, aspire à 5 x 0 4 hpa et refoule (à l aspiration d une pompe primaire) à 0,5 hpa. La puissance de compression isotherme, calculée par la formule précédente avec les unités SI est de : P 5 0 2 0,5 02 = 0 2,3 lg ------------------------ 5 0 2 P = 3,45 W alors que, pour faire fonctionner une telle pompe à jet de vapeur, il faut fournir une puissance de 8 kw. Peut-on parler de rendement énergétique? Reconnaissons que cet exemple est un exemple extrême. On calculerait de meilleurs rendements pour les machines du domaine du vide grossier (car la pression d aspiration p a serait moins basse). Les machines mécaniques, comme les pompes à anneau liquide, auront un meilleur rendement que les machines thermiques (telles les pompes à jet de vapeur). II n en reste pas moins vrai que les rendements énergétiques des pompes à vide seront toujours faibles. La maîtrise de l énergie ne passera donc pas, en général, par la substitution d un système par un autre thermodynamiquement plus performant. Au demeurant, la détermination d un système de pompage, dominée par des considérations techniques, ne laisse que rarement le choix entre plusieurs solutions. Tout effort pour maîtriser l énergie serait-il dont exclu? Nullement. Que le rendement énergétique d une pompe à vide soit mauvais, médiocre ou moyen, il reste que la puissance à lui fournir, qu elle soit mécanique ou thermique, est sensiblement proportionnelle au débit-volume de la pompe. BM 4 270 4 Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique

PRODUCTION DU VIDE 5. Action sur les installations existantes Le problème posé en technique du vide est d absorber un flux gazeux q G à une pression opérationnelle p avec une pompe à vide de débit-volume S. Ces trois valeurs sont liées par la relation q G = ps. On voit immédiatement que : un flux parasite qui viendrait s ajouter au flux du procédé q entraînerait une augmentation de S donc une augmentation de la consommation d énergie ; une perte de charge due à une mauvaise conductance en ligne qui conduirait à entretenir à l aspiration de la pompe une pression plus faible que souhaitable entraînerait une augmentation de S donc une augmentation de la consommation d énergie ; un débit-volume S plus élevé qu il ne serait nécessaire augmenterait Ia consommation d énergie. C est par le contrôle de ces facteurs qu on acquerra la maîtrise de l énergie en technique du vide. Des économies substantielles sont réalisables sur la plupart des installations existantes, par une surveillance attentive de l installation ou par la mise en œuvre de modifications mineures. Gagner 20 % sur la consommation d énergie n est pas rare mais on pourrait citer des exemples où l on a gagné jusqu à 50 %. Les sources de gaspillage d énergie sont de trois ordres et sont immédiatement suggérées en considérant la formule q G = ps. 5.. Débit de fuites parasites Les défauts d étanchéité des assemblages (brides d appareils, brides de tuyauteries, raccords, presses-étoupe, garnitures mécaniques, etc.) provoquent des entrées d air parasites importantes. Dans le domaine de l ultravide, l opérateur est tout de suite avisé d une quelconque entrée d air dans son installation car les conditions de fonctionnement sont immédiatement profondément perturbées ( mm 3 d air à la pression atmosphérique devient 000 m 3 à x 0 9 hpa). II n en est pas de même en vide grossier, domaine plus spécifique des installations industrielles, où l opérateur ne sera pas forcément alerté par une remontée significative de la pression dans l installation. Exemple : soit un réacteur travaillant à 00 hpa et dont les produits de la réaction sont constitués pour 80 % de vapeurs condensables et pour 20 % de gaz permanents. Une fuite qui porterait la pression dans le réacteur à 05 hpa a de fortes chances de passer inaperçue ou, tout au moins, de n alerter personne. Or, cette fuite est totalement constituée d air donc de gaz incondensable. Le débit-volume de la pompe d extraction (cf. 5..3) passe de 20 à 25 m 3 /h et sa consommation se trouve augmentée de 25 %. La vérification de l étanchéité des installations devrait donc être effectuée périodiquement, car les joints et les garnitures d étanchéité se détériorent avec le temps. Cette vérification devient impérative à la mise en service et chaque fois qu intervient une modification de structure. Le contrôle d étanchéité et ses corollaires, la localisation des fuites et leurs réparations, sont des techniques qui ont aujourd hui atteint leur pleine maturité [7]. Plusieurs sociétés de prestation de service peuvent se charger de telles opérations qui sont évidemment affaires de spécialistes. 5..2 Pertes de charge La pression qui importe à l utilisateur est la pression dans l enceinte. Celle que devra atteindre la pompe à vide est toujours plus faible. Entre les deux, on trouve la perte de charge (conductance) de la canalisation de liaison pompe-enceinte. On sous-estime généralement l influence de cette perte de charge qui correspond toujours à une demande de puissance accrue du générateur de vide. On rappelle ici deux effets importants des lois des écoulements laminaires et transitoires, cas général des écoulements en technique du vide industriel (cf. [4]). Pour une canalisation donnée, parcourue par un flux donné, la perte de charge (conductance) est inversement proportionnelle à la pression moyenne dans Ia canalisation. Un clapet antiretour ou une vanne parfaitement adapté(e) pour une utilisation à la pression atmosphérique peut se révéler désastreux(se) dans une utilisation à basse pression. Exemple : une canalisation de liaison enceinte-pompe à vide présente une perte de charge de 3 hpa à une pression moyenne de 00 hpa. C est une valeur tout à fait convenable car, bien entendu, il n est pas question d annuler totalement les pertes de charge. On veut alors faire fonctionner cette même installation à 30 hpa. La perte de charge de la canalisation passe alors à 0 hpa. La pression à atteindre à l entrée de la pompe sera de 30 0 = 20 hpa. Pour un flux donné, la perte de charge se trouve responsable d une augmentation du débit donc de Ia consommation d énergie de 33 %. II faut aussi rappeler que la perte de charge est inversement proportionnelle à Ia quatrième puissance du diamètre des canalisations. Exemple : un dépôt de 4 mm d épaisseur, dans une canalisation de 50 mm de diamètre, augmente la perte de charge de 20 % en admettant encore que le régime d écoulement reste laminaire et que les aspérités de la paroi ne déclenchent pas des turbulences qui viendront augmenter encore Ia perte de charge. Pour résumer ce paragraphe, les erreurs les plus fréquemment commises qui conduisent à une augmentation des pertes de charges, lesquelles se répercutent sur Ia consommation des pompes, sont dues à : des canalisations comportant trop de coudes à angles vifs ou d un trop faible rayon ; des canalisations mal entretenues, encrassées et rugueuses ; des canalisations dont la voie est réduite par des dépôts condensés ; des vannes et des clapets antiretour, mal adaptés à la technique du vide ; des filtres partiellement colmatés. 5..3 Réglage du débit des pompes Une installation peut avoir de multiples fonctions. Une pompe peut donc avoir à s adapter à plusieurs conditions de pompage. Au cours d un traitement, il n est pas rare de voir le flux à pomper diminuer vers Ia fin de l opération. En vertu du principe «qui peut le plus peut le moins», les pompes installées sont capables du flux maximal mais aucune mesure n est prise pour adapter leur débit-volume aux conditions de fonctionnement moins sévères ou bien, quand ces mesures sont prises, c est par l intermédiaire d une vanne réglable localisée entre l enceinte et la pompe, ce qui maintient sans doute les conditions de pression au niveau du réacteur mais n améliore en rien la consommation d énergie de la pompe. Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique BM 4 270 5

PRODUCTION DU VIDE II existe pourtant des moyens pour faire varier le débit-volume des pompes en fonction du besoin et c est ainsi qu il faut procéder. Les pompes à anneau liquide permettent de s adapter à une assez large gamme de vitesses, entre un maximum défini par les contraintes admissibles sur les aubages et une vitesse minimale définie par le décrochage de l anneau liquide. On peut faire varier leur débit-volume soit par variation électrique de la vitesse du moteur d entraînement, soit par une transmission par poulies et courroies appropriées. On peut aussi faire varier le débit d eau de refroidissement. Un débit moindre conduit à un réchauffement de la pompe, lequel diminue Ie débit engendré. Dans un éjecteur à vapeur, on jouera sur Ia pression de la vapeur motrice, soit en disposant de buses de sections différentes en fonction du traitement, soit en disposant d une buse à section variable. Une buse à débit variable permettra aussi d ajuster le débit de vapeur à la température du condenseur, laquelle peut varier dans de notables proportions (de 0 C à 25 C) entre l hiver et l été. 5.2 Conception d installations nouvelles et réingénierie Le choix d un type de pompe à vide sera le plus généralement déterminé par des considérations techniques lesquelles prévaudront toujours sur les conditions économiques. Le tableau de la figure 2 donne une idée des solutions possibles en fonction des deux variables essentielles que sont Ia pression opérationnelle et le débit-volume. Dans l immense domaine de la technique du vide, nous avons limité notre étude aux pressions supérieures à hpa et aux débitsvolumes supérieurs à 70 dm 3 /s (partie droite du tableau) les problèmes posés dans le vide poussé (pompes secondaires) étant très différents. En dehors de ces frontières, les problèmes énergétiques sont marginalisés, soit que les considérations techniques priment (c est le cas des pressions inférieures à hpa), soit que les puissances mises en jeu soient trop faibles pour justifier I intérêt d une étude critique. Rappelons que, si les deux variables évoquées ci-dessus sont prépondérantes, ce ne sont pas forcément les seules conditions techniques à prendre en considération. La sélection technique une fois réalisée, il reste qu on peut se trouver en présence de plusieurs solutions techniquement satisfaisantes. La sélection se poursuivra alors sur des critères purement économiques. 5.2. Pompes à éjecteur (thermocompresseur) ou pompes mécaniques La combinaison Ia plus fréquemment rencontrée oppose les éjecteurs (thermocompresseurs) et les compresseurs mécaniques (pompes volumétriques à anneau liquide, à bain d huile ou pompes Roots). Elle donne lieu à des affrontements sans fin entre les tenants de l une ou de l autre formule. Sur le plan purement thermodynamique, Ia question est tranchée facilement, Ia supériorité des pompes mécaniques sur les pompes à injecteurs n étant pas contestable. Mais cette considération ne règle en rien le problème économique, pour lequel il faut faire intervenir le coût de toutes les énergies mises en œuvre : électricité, eau, vapeur. Or, les prix de revient de ces différents fluides peuvent être extrêmement différents selon les situations locales (l utilisateur disposant d un puits peut se fournir en eau à bon compte ou celui obiigé de détruire des déchets par incinération, peut fabriquer de Ia vapeur à très bas prix). II est donc vain de vouloir établir des règles générales. Chaque cas est un cas d espèce. Il appartient à chacun de faire l étude économique avec ses données particulières. Cette étude est d autant plus nécessaire que des économies d énergie considérables peuvent être faites par des substitutions appropriées de systèmes de pompage. 5.2.2 Associations de pompes Le niveau de pression requis par Ie processus exige souvent de placer plusieurs pompes à vide en série ; même si ce n est pas une nécessité, Ies associations de pompes sont souvent bénéfiques sur le plan économique. 5.2.3 Associations condenseur et pompe d extraction La combinaison la plus fréquemment rencontrée est l association d une pompe à vide d extraction avec un condenseur, celui-ci n étant rien d autre qu une pompe à vide à fixation. Dans les processus industriels, les flux pompés sont le plus souvent constitués de vapeurs saturantes (vapeur d eau ou autres vapeurs aisément condensables) et de gaz permanents. II est toujours économiquement avantageux d extraire le maximum de vapeurs condensables par condensation, Ia pompe d extraction n étant alors dimensionnée que pour extraire les gaz permanents. Si l on fait un retour en arrière, on voit combien le débit de fuites parasites peut être coûteux car il augmente Ia capacité installée de Ia seule pompe d extraction qui sera une machine toujours plus onéreuse qu un condenseur. Le débit-volume de Ia pompe d extraction, calculé pour le seul flux permanent de gaz incondensables, conduit quelquefois à des machines de capacité insuffisante pour abaisser Ia pression dans l enceinte au niveau souhaité en un temps raisonnable. II peut être alors bénéfique de prévoir deux groupes de pompage, I un puissant utilisé pour la mise en route et l autre de performances moindres mais de fonctionnement plus économique pour le traitement. 5.2.4 Choix du type de pompes à vide en amont du premier condenseur La plus grande partie des vapeurs condensées ayant été retenue dans le premier condenseur, le choix du groupe d extraction, appelé quelquefois groupe de désaérage, reste à faire. Ce groupe est de plus en plus rarement constitué par une chaîne d éjecteurs à vapeur [8]. Les éjecteurs sont en effet d autant plus gourmands en énergie qu ils travaillent à pression élevée. On préférera donc aujourd hui des pompes mécaniques, telles que dépresseurs Roots, pompes à anneau liquide avec ou sans éjecteur à jet d eau, pompes sèches. 5.2.5 Consommation d eau. Usage des échangeurs-condenseurs La plupart des pompes à vide industriel nécessitent une circulation d eau de refroidissement. Pour certaines d entre elles (pompes à anneau liquide), l eau est un élément fonctionnel. On peut alimenter la pompe soit en eau perdue, soit avec récupération partielle de l eau, soit en circuit totalement fermé. BM 4 270 6 Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique

PRODUCTION DU VIDE Dans ce dernier cas, le refroidissement du liquide peut se faire par échangeur eau-eau ou aéroréfrigérant. Un bilan économique de ces trois solutions montre que l une ou l autre d entre elles peut se montrer plus avantageuse selon les coûts de l eau, de l électricité et le taux d utilisation de Ia machine. Encore une fois, on ne peut pas ici donner de règle générale. Il s agit de cas d espèce et le calcul est à faire pour chaque cas particulier. Mais il mérite cependant d être fait, surtout quand il conduit à des résultats a priori un peu paradoxaux. N est-il pas surprenant de constater, par exemple, qu il peut être plus économique de refroidir une pompe par un échangeur eau-eau que de Ia refroidir directement en eau perdue? C est un fait d expérience que, dans une chaîne de pompes, la corrosion se produit toujours dans la pompe qui refoule à pression atmosphérique. 6. Propriétés des huiles de pompes à vide Examinons donc les propriétés spécifiques demandées aux huiles de pompes à vide et spécialement à celles qui doivent être utilisées en milieu industriel, où l on a souvent affaire à des gaz ou à des vapeurs corrosives. 6. Huiles pour pompes à vide Les pompes à huile utilisées industriellement comportent de très nombreux modèles. Toutes utilisent ou peuvent utiliser l huile, non seulement pour son action lubrifiante mais à des fins fonctionnelles. Les éjecteurs, dont le fluide moteur peut être l air, l eau ou la vapeur d eau, travaillent aussi pour certaines applications à la vapeur d huile. Les pompes à anneau liquide ne fonctionnent pas uniquement avec un anneau d eau bien que ce soit leur utilisation la plus répandue. Les applications pour lesquelles on utilise d autres fluides, dont l huile, sont de plus en plus fréquentes. Enfin, toute la famille des pompes à piston oscillant, à palettes à joint d huile ou à multipalettes à bain d huile fonctionnent avec de l huile liquide introduite dans la chambre de compression ellemême. Les fonctions demandées à cette huile sont multiples. D abord elle doit remplir son rôle habituel de lubrifiant. Elle participe ensuite aux transferts de chaleur dans la pompe. Enfin, elle constitue un joint d étanchéité entre les pièces mécaniques en mouvement relatif. Cette dernière action confère aux pompes de la famille à joint d huile de remarquables propriétés puisque celles-ci sont les seules à développer des taux de compression de 0 6 en refoulant à pression atmosphérique. Ces performances ne sont obtenues cependant qu avec des huiles dotées de propriétés inhabituelles au regard de ce qui est demandé à l huile utilisée comme seul lubrifiant. Nous n étudierons pas ici les fluides pour pompes à jet de vapeur. Non pas que nous rejetions celles-ci hors de la classe des machines industrielles, mais nous pensons que les usagers des vides poussés sont déjà très avertis des problèmes d huile. Au demeurant, le problème des fluides pour les pompes à vide poussé est sensiblement moins complexe que celui des pompes pour le vide moyen, pour deux raisons essentielles : la première est qu aux basses pressions les quantités de gaz mises en jeux sont extrêmement faibles et l action des gaz, s ils sont corrosifs, est très limitée ; la seconde est qu aux températures moyennes et aux pressions voisines de l atmosphère on condense en phase liquide des fluides qui restent en phase gazeuse à des pressions moins élevées. Exemple : prenons le cas de l eau. À une pression de 0 3 hpa, la vapeur se condense à 80 C, condition qu on ne rencontre pas en pratique, alors qu à 20 hpa, elle se condense à 8 C et à 200 hpa à 60 C. Or la corrosion par les liquides qui restent dans la pompe est beaucoup plus intense que celle qui se produit par les gaz qui eux ne font qu être transférés. 6.. Pression de vapeur Une huile pour pompe à vide doit avoir une faible pression de vapeur aux températures de fonctionnement de la machine. En admettant que la pompe travaille à des températures voisines de 60 C, ce qui est le cas général, plus exceptionnellement jusqu à 00 C, il est évident qu on ne peut atteindre des pressions inférieures à la pression de vapeur saturante de l huile à la température de fonctionnement de la pompe. La figure 22 donne les courbes de la pression de vapeur en fonction de la température pour quatre huiles types utilisées dans les pompes. Pression de vapeur (hpa) 0 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 40 20 0 20 40 80 20 60 220 Température ( C) 2 3 4 huile minérale raffinée à base paraffinique huile minérale distillée sous vide huile synthétique perfluoropolyéther huile synthétique chlorocarbonée Figure 22 Pression de vapeur saturante des huiles pour pompes primaires (doc. Alcatel) 4 2 3 Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique BM 4 270 7

PRODUCTION DU VIDE Tableau 2 Pression limite obtenue dans une pompe à palettes à deux étages avec différentes huiles Type d huile Pression de vapeur à 60 C (hpa) Pression limite de la pompe (hpa) Huile minérale raffinée à base paraffinique 2 x 0 3 2 x 0 3 Huile minérale distillée sous vide 3 x 0 5 x 0 3 Huile synthétique perfluoropolyéther 3 x 0 5 2 x 0 3 Huile synthétique chlorocarbonée 3 x 0 4 5 x 0 3 Ces courbes, en fait, ne représentent que des valeurs moyennes. Les huiles ne sont pas des corps chimiquement purs, ce sont des mélanges dont les composants ont des pressions de vapeur différentes pouvant s étendre sur une plage d une puissante de 0. Mais il n y a pas dans les pompes mécaniques, d autorectification (comme dans certaines pompes à diffusion) et cela n a donc pas de conséquences pratiques. Il ne faut cependant pas considérer uniquement le critère de la pression de vapeur. Quelle soit faible est certes une condition nécessaire. Elle est loin d être suffisante. La pression limite d une pompe n est pas directement liée à la pression de vapeur de l huile et l emploi d une huile à basse pression de vapeur n entraîne pas automatiquement une basse pression limite, ainsi que le montre le tableau 2. Expliquer ce phénomène nous conduirait à entrer trop en détail dans le fonctionnement des pompes à joint d huile. On peut cependant retenir que, dans toutes les pompes rotatives, les caractéristiques (le vide limite en particulier) sont largement dépendantes de la quantité et de la qualité de l huile qui, au cours du cycle, est transférée du compartiment haute pression au compartiment basse pression. Cette quantité et cette qualité dépendent de la viscosité de l huile et surtout de ses aptitudes à dissoudre les gaz. Une huile dans laquelle les gaz sont facilement solubles donnera un médiocre vide limite. Ajoutons que les valeurs indiquées sur le tableau de la figure 2 se rapportent à des pompes aspirant de l air sec et pur. Qu en sera-t-il après quelques semaines de travail? Les performances indiquées ne peuvent que se dégrader. 6..2 Lubrification Il ne faudrait pas oublier que la fonction de l huile introduite dans la pompe est d être un bon lubrifiant. Cette condition limite quelque peu la panoplie des huiles qui peuvent être utilisées dans les pompes mécaniques. C est ainsi que, dans les pompes à jet de vapeur, on utilise des huiles dont la pression de vapeur est très basse. Mais celles-ci ne sont pas de bons lubrifiants et ces huiles ne doivent pas être utilisées dans les pompes mécaniques. De plus, on a vu, en effet, qu une huile à très basse pression de vapeur n entraîne pas forcément de meilleures performances de la pompe. Par contre, si on ne recherche pas de basses pressions limites, par exemple dans les pompes multipalettes à huile recyclée ou non, pour des pressions supérieures à hpa, on peut employer des huiles standards pour moteur. L huile multigrade 20-40 convient fort bien. Viscosité (0 3 Pa. s) 200 600 500 400 300 200 00 50 25 Figure 23 Viscosité des huiles pour pompes primaires (doc. Alcatel) 6..3 Viscosité 0 0 20 25 30 40 50 60 70 80 00 Température ( C) 2 3 4 3 La figure 23 donne, pour les quatre huiles types déjà prises comme référence, la variation de la viscosité en fonction de la température. Comme on peut le voir, les pompes sont assez tolérantes, quant à la viscosité de l huile utilisée. Il faut se rappeler qu une huile visqueuse entraîne une surconsommation d énergie (il faudra quelquefois entraîner la pompe par un moteur plus puissant) et fait travailler la pompe à des températures plus élevées, ce qui accroît l agressivité des gaz corrosifs. Très grossièrement, on peut admettre qu aux températures moyennes la vitesse de corrosion double pour une augmentation de température de 0 C. L huile de forte viscosité peut aussi poser des problèmes lors du démarrage à froid des pompes surtout si celles-ci sont situées dans 2 4 huile minérale raffinée à base paraffinique huile minérale distillée sous vide huile synthétique perfluoropolyéther huile synthétique chlorocarbonée centipoise = 0 3 Pa. s BM 4 270 8 Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique

PRODUCTION DU VIDE des locaux non chauffés. Des dispositifs de préchauffage existent pour les cas exceptionnels. Par contre, à chaud, une viscosité trop faible peut entraîner des instabilités de vitesse de pompage, le joint d huile qui donne à la pompe ses performances ne se formant pas convenablement. Il y a quand même des différences assez sensibles dans les caractéristiques de viscosité des huiles conseillées par les différents constructeurs et il est recommandé de suivre sur ce point les instructions fournies. Les pompes à piston oscillant, par exemple, ont besoin d une huile plus visqueuse que les pompes à palettes. 6..4 Pouvoir de désémulsion On a vu que les vapeurs condensables, l eau en particulier, pouvaient se transformer en liquide au cours du cycle de compression. Bien que les pompes à joint d huile possèdent toutes un dispositif dit «lest d air» qui évite cette transformation dans la chambre de compression, on ne peut empêcher, dans ces machines, de mettre en contact l huile avec les liquides condensés. En général, ces liquides sont peu miscibles à l huile et ils se décantent facilement ; il existe cependant des huiles antiémulsion qui facilitent cette séparation. Ces huiles ont en général une moins bonne pression de vapeur, mais cette perte de caractéristiques est assez faible et, en milieu industriel, peut être négligée eu égard aux avantages qu elles apportent. 6..5 Résistance à la température Les pompes à vide mécaniques travaillent normalement à des températures comprises entre 60 et 00 C, la limite supérieure étant plutôt exceptionnelle. La plupart des huiles supportent ces températures sans dommage. Cependant la température moyenne de l huile de la pompe peut ne pas être significative de la température maximale atteinte par l huile à certains points chauds localisés. En particulier, l huile qui passe du compartiment haute pression au compartiment basse pression du point de contact rotor-stator est fortement laminée et sa température s élève localement à une valeur très supérieure à la température moyenne. Il est donc prudent, pour éviter une détérioration trop rapide de l huile lorsque la pompe travaille à des régimes pour lesquels la puissance de compression est grande, d utiliser une huile particulièrement résistante à la température. Ce type d huile a une pression de vapeur moins bonne que les huiles standards utilisées mais, dans cette application, cela n a aucune importance. La puissance de compression dans une pompe à vide mécanique refoulant à pression atmosphérique est nulle dans les deux cas limites où la pression d aspiration est soit très faible (< hpa), soit voisine de la pression atmosphérique. Elle passe par un maximum situé aux environs de 400 hpa. Cette puissance de compression vient s ajouter à la puissance perdue par frottements visqueux qui est sensiblement constante en fonction de la pression... 6..6 Inertie vis-à-vis des produits chimiques Pendant des décennies, les pompes à vide à joint d huile n ont été utilisées que pour pomper de l air sec, de la vapeur d eau ou le mélange des deux. Pour ces applications les fluides dont sont chargés les pompes sont des huiles qu on peut qualifier d usage général. Ce sont des huiles minérales, raffinées, de base paraffinique, donnant de bonnes pressions limites. Ces huiles sont malheureusement sensibles aux produits corrosifs (composés chlorés et fluorés, acides minéraux ou organiques et dioxygène, lorsque sa concentration dépasse notablement les 20 % de sa teneur dans l air). Historiquement, le problème s est posé pour la première fois en termes industriels dans les années 50 pour la séparation isotopique de l uranium et du trifluorure de chlore. Les pompes à joint d huile de par leurs possibilités antérieures étaient souvent considérées comme des outils de laboratoire aux performances remarquables certes mais impropres à un usage industriel. Les progrès de ces dernières années remettent fondamentalement en cause cette façon de voir. On trouve aujourd hui sur le marché toute une gamme d huiles synthétiques résistant bien aux agents chimiques et adaptées à différents usages qui ouvrent très largement le domaine d utilisation des pompes à joint d huile. 6.2 Différentes huiles utilisables dans les pompes à vide Le tableau 3 donne une vue synthétique des huiles utilisées aujourd hui dans les pompes à joint d huile. On voit qu à côté des huiles d usage général qui restent encore les plus utilisées, on a le choix entre différentes huiles de propriétés spécifiques. Nous avons fait figurer dans la dernière colonne du tableau, les prix relatifs et approximatifs de ces différentes qualités d huile. L éventail des prix, comme on le constatera, est extrêmement ouvert et il ne serait pas convenable de choisir systématiquement le fluide le plus performant. Exemple : les huiles minérales doublement distillées ne comprennent plus que des composés hydrocarbonés à chaînes longues qui sont plus résistants aux attaques chimiques que les composés à chaînes courtes. Ces huiles, dont le prix est sensiblement inférieur à celui des huiles perfluoropolyéther de synthèse, beaucoup plus résistantes, peuvent souvent rivaliser avec elles. Nous reviendrons plus en détails sur ces questions économiques. 6.3 Vieillissement de l huile L action de la température, l émulsion avec l eau ou les solvants, l attaque par les gaz corrosifs font perdre à l huile ses qualités initiales de lubrification (sa pression de vapeur augmente ainsi que sa viscosité). La vitesse de dégradation est extrêmement variable en fonction de l usage qui est fait de la pompe. Il est impossible comme le font les constructeurs d automobiles de donner des consignes d entretien basées sur un temps de fonctionnement. Une pompe travaillant en permanence au vide limite sur un circuit propre peut fonctionner un an sans révision. Ce temps peut être réduit à une semaine ou moins, si la pompe doit absorber des gaz corrosifs. Il serait donc de la première importance de pouvoir contrôler le vieillissement de l huile par une mesure quantitative. Il n existe malheureusement pas à l heure actuelle de méthode rigoureuse permettant ce contrôle. Dans la majorité des cas, on conseille à l utilisateur d examiner la couleur, l odeur et la viscosité de l huile et de se constituer sa propre expérience. On conviendra que ces directives sont extrêmement sommaires. Pour ne pas être totalement négatif, on peut conseiller de compléter l examen visuel par une mesure du ph de l huile ou d indice de neutralisation [9]. Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique BM 4 270 9

PRODUCTION DU VIDE Tableau 3 Principales huiles utilisables dans les pompes à vide (doc. Alcatel) Propriétés Constitution Applications Prix relatif favorables défavorables Huile minérale raffinée de base paraffinique Bonne pression limite Combustible Usage général Huile minérale raffinée de base paraffinique avec additifs antiémulsion, antirouille, dopage basique, etc. Huile minérale de base paraffinique doublement distillée Huile synthétique hydrocarbonée Huile synthétique chlorocarbonée Huile synthétique perfluopolyéther Huile triarylphosphate-ester Très basse pression de vapeur, résistante à la corrosion Résistante à la température Bonne résistance aux agents chimiques Très grande inertie aux produits chimiques même à température élevée Ininflammable Combustible Combustible Combustible Très grande viscosité nécessitant un moteur puissant Déconseillée par certains constructeurs eu égard à sa grande viscosité Déconseillée pour le pompage d oxygène pur ou de concentration supérieure à 30 % Pompage vapeur d eau, séchage sous vide, lyophilisation, pompage vapeur faiblement acide Utilisable simultanément dans les pompes mécaniques et à jet de vapeur Recommandée pour la lubrification des engrenages de pompes Roots Pompage à pression élevée (00 hpa) Pompage oxygène, ozone oxydant minéraux, composés halogénés, bases minérales, sels minéraux, acides minéraux, acides de Lewis 5 à 8,5 75 00 Pompage des gaz oxydants 3 Cette mesure, si elle apporte un élément quantitatif d évaluation, ce qui constitue un progrès incontestable sur l examen visuel, ne dispense pas pour autant l utilisateur de se constituer lui-même sa propre règle. Il devra tester l huile neuve et à différents degrés d usage pour déterminer lui-même la fréquence des opérations d entretien. Orifice de remplissage Manomètre Cartouche filtrante 6.4 Régénération de l huile Vannes d'isolement de la pompe Quoi qu il en soit, l utilisateur souhaitera retarder le vieillissement de l huile dans toute la mesure du possible et, en particulier, en la régénérant. La régénération de l huile se fait en continu. Une pompe la fait circuler dans un circuit comportant des filtres appropriés (figure 24). Ces filtres sont soit mécaniques soit chimiques. Le filtre mécanique s impose lorsque les gaz pompés sont chargés de poussières, ou que leur combinaison avec l huile donne lieu à formation de particules solides (boues, cristaux...). Il n est cependant pas sans action sur l acidité de l huile. Les produits de réaction des gaz corrosifs avec l huile sont souvent formés de petits cristaux et la seule filtration mécanique améliore toujours le ph de l huile. Les filtres chimiques sont à utiliser lorsque les fluides pompés sont susceptibles de se dissoudre dans l huile. Comme ce sont aussi des filtres mécaniques, on évitera de les utiliser seuls, lorsque le gaz pompé est fortement chargé en poussières. Ils sont aussi recommandés avec les huiles dopées car celles-ci ne sont pas neutres et perdraient leurs propriétés. Préfiltre huile Pompe de circulation d'huile Vannes de vidange du filtre Figure 24 Filtration d huile en continu sur pompe à joint d huile (doc. Alcatel) Les filtres chimiques peuvent être équipés de différentes cartouches (terre ou alumine activées) recommandées pour l absorption des acides minéraux, charbons actifs pour les gaz chlorés, l ammoniac et les produits nitreux. Ce traitement de l huile en continu, qui nécessite un investissement au départ, peut retarder le vieillissement de l huile d un facteur 20 ou même 50, ce qui le rend presque toujours économiquement valable. BM 4 270 20 Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique