Comment fonctionnent les pompes à sorption ?

Partager via

Le terme « pompes à sorption » englobe tous les dispositifs permettant d'éliminer les gaz et les vapeurs d'un espace par sorption. Les particules de gaz pompées sont ainsi liées à la surface ou à l'intérieur de ces agents, soit par des forces d'adsorption physiques dépendant de la température (forces de Van der Waals), soit par chimisorption, soit par absorption, soit par incorporation au cours de la formation continue de nouvelles surfaces de sorption. En comparant leurs principes de fonctionnement, nous pouvons distinguer les pompes à adsorption, dans lesquelles la sorption des gaz a lieu simplement par le biais de procédés d'adsorption contrôlés par la température, et les pompes à piégeur, dans lesquelles la sorption et la rétention des gaz sont essentiellement causées par la formation de composés chimiques. Le piégeage est la liaison des gaz sur des surfaces pures, principalement métalliques, qui ne sont pas recouvertes de couches d'oxyde ou de carbure. Ces surfaces se forment toujours pendant la fabrication, l'installation ou la purge du système. Les surfaces de piégeage, principalement métalliques et de la plus haute pureté, sont générées en continu soit directement dans le vide par évaporation (pompes d'évaporation), soit par pulvérisation (pompes de pulvérisation), soit par l'élimination de la couche de surface de passivation du piégeur (métal) par dégazage du vide, afin que le matériau pur soit exposé au vide. Cette étape est appelée activation (pompes NEG = piégeur non évaporable).

Principe de fonctionnement des pompes à adsorption

Les pompes à adsorption (voir Fig. 2.59) fonctionnent selon le principe de l'adsorption physique des gaz à la surface des tamis moléculaires ou d'autres matériaux d'adsorption (par exemple Al₂O₃ activé). La zéolite 13X est souvent utilisée en tant que matériau d'adsorption. Cet aluminosilicate alcalin possède, pour une certaine masse de matériau, une surface extraordinairement grande ; environ 1000 m²/g de substance solide. Par conséquent, sa capacité à absorber les gaz est considérable.

Fig. 2.59 Section transversale d'une pompe à adsorption représentant sa conception.

Orifice d'entrée
Orifice de dégazage
Support
Corps de pompe
Palettes thermoconductrices
Matériau d'adsorption (par exemple zéolite)

Le diamètre des pores de la zéolite 13X est d'environ 13 Å, ce qui correspond à l'ordre de grandeur de la vapeur d'eau, de la vapeur d'huile et des plus grosses molécules de gaz (environ 10 Å). En supposant que le diamètre moléculaire moyen est égal à la moitié de cette valeur, soit 5 · 10^-8 cm, environ 5 · 10¹⁸ molécules sont adsorbées en monocouche sur une surface de 1 m². Pour les molécules d'azote présentant une masse moléculaire relative Mr = 28, cela correspond à environ 2 · 10^-4 g ou 0,20 mbar · l. Par conséquent, une surface d'adsorption de 1000 m2 est capable d'adsorber une couche mono-moléculaire dans laquelle plus de 133 mbar · l de gaz sont liés.

L'hydrogène et les gaz nobles légers, tels que l'hélium et le néon, présentent un diamètre de particule relativement petit par rapport à la taille des pores de 13 Å de la zéolite 13X. Ces gaz sont donc très mal adsorbés.

Effets de la chaleur et de la pression sur l'adsorption des gaz

L'adsorption des gaz sur les surfaces dépend non seulement de la température, mais surtout de la pression au-dessus de la surface d'adsorption. Cette dépendance est représentée graphiquement pour quelques gaz par les isothermes d'adsorption de la Fig. 2.60. En pratique, les pompes à adsorption sont reliées au réservoir à évacuer par une vanne. C'est en immergeant le corps de la pompe dans de l'azote liquide que l'effet de sorption devient techniquement utile. En raison des différentes propriétés d'adsorption, la vitesse de pompage et la pression limite d'une pompe à adsorption sont différentes pour les différentes molécules de gaz : les meilleures valeurs sont atteintes pour l'azote, le dioxyde de carbone, la vapeur d'eau et les vapeurs d'hydrocarbures. Les gaz nobles légers sont à peine pompés, car le diamètre des particules est faible par rapport aux pores de la zéolite. A mesure que l'effet de sorption diminue avec l'augmentation de la couverture des surfaces de la zéolite, la vitesse de pompage diminue avec l'augmentation du nombre de particules déjà adsorbées. La vitesse de pompage d'une pompe à adsorption dépend donc de la quantité de gaz déjà pompée et n'est donc pas constante dans le temps.

Fig. 2.60 Isothermes d'adsorption de la zéolite 13X pour l'azote à -195 °C (-319 °F) et 20 °C (68 °F), ainsi que pour l'hélium et le néon à -195 °C (-319 °F)

En premier lieu, la pression limite pouvant être atteinte avec les pompes à adsorption est déterminée par les gaz qui sont présents dans le réservoir au début du procédé de pompage et qui sont peu ou pas du tout adsorbés (par exemple le néon ou l'hélium) à la surface de la zéolite. Dans l'air atmosphérique, quelques parties par million de ces gaz sont présentes. Par conséquent, il est possible d'obtenir des pressions < 10^-2 mbar.

Si l'on souhaite obtenir des pressions inférieures à 10^-3 mbar exclusivement avec des pompes à adsorption, le mélange gazeux ne doit, dans la mesure du possible, contenir ni néon ni hélium.

Suite à un procédé de pompage, la pompe ne doit être chauffée qu'à la température ambiante pour que les gaz adsorbés soient évacués et que la zéolite soit régénérée afin d'être réutilisée. Si de l'air (ou du gaz humide) contenant une grande quantité de vapeur d'eau a été pompé, il est recommandé de faire sécher complètement la pompe pendant quelques heures à une température de 200 °C (392 °F) ou plus.

Pour pomper de plus grands réservoirs, plusieurs pompes à adsorption sont utilisées en parallèle ou en série. Tout d'abord, la pression est réduite de la pression atmosphérique à quelques millibars lors de la première étape afin de « capturer » de nombreuses molécules de gaz nobles d'hélium et de néon. Une fois que les pompes de cette étape ont été saturées, leurs vannes sont fermées et la vanne précédemment fermée d'une autre pompe à adsorption contenant encore un adsorbant propre est ouverte afin que cette pompe puisse pomper la chambre à vide jusqu'au niveau de pression inférieur suivant. Il est possible de poursuivre cette procédure jusqu'à ce que la pression limite ne puisse plus être améliorée en ajoutant d'autres pompes à adsorption propres.

Qu'est-ce qu'une pompe à sublimation ?

Les pompes à sublimation sont des pompes à sorption dans lesquelles un matériau de piégeage est évaporé et déposé sur une paroi interne froide sous forme de film de piégeage. A la surface d'un tel film de piégeage, les molécules de gaz forment des composés stables, qui présentent une pression de vapeur incroyablement faible. Le film de piégeage actif est renouvelé par les évaporations ultérieures. En général, le titane est utilisé en tant que piégeur dans les pompes à sublimation. Le titane est évaporé à partir d'un fil constitué d'un alliage spécial à haute teneur en titane, chauffé par un courant électrique. Bien que la capacité de sorption optimale (environ un atome d'azote pour chaque atome de titane évaporé) soit difficile à obtenir dans la pratique, les pompes à sublimation de titane présentent une vitesse de pompage extraordinairement élevée pour les gaz actifs qui peuvent être rapidement pompés, en particulier lors des procédés de démarrage ou de l'évolution soudaine de plus grandes quantités de gaz. Les pompes à sublimation fonctionnant comme les pompes auxiliaires (unités d'appoint) des pompes ioniques à pulvérisation et des pompes turbomoléculaires, leur installation est souvent indispensable (comme pour les « unités d'appoint » des pompes à jet de vapeur ; consultez la page dédiée aux pompes à diffusion d'huile pour obtenir de plus amples informations).

Blog et Wiki Types de pompe Génération de vide Fondamentaux du vide

Principes fondamentaux de la technologie du vide 

Téléchargez notre e-book « Principes fondamentaux de la technologie du vide » pour découvrir les principes et procédés essentiels des pompes à vide. 

Afficher les e-books

Références

Symboles du vide
Glossaire des unités
Références et sources

Symboles du vide

Glossaire des symboles couramment utilisés dans les schémas en technologie du vide pour représenter visuellement les différents systèmes de pompage, leurs types de pompes et les pièces qui les composent

Glossaire des unités

Aperçu des unités de mesure et des symboles utilisés en technologie du vide, ainsi que des équivalents modernes des unités historiques

Références et sources

Références, sources et autres ouvrages à consulter concernant les connaissances fondamentales sur la technologie du vide