Comment fonctionne une pompe cryogénique ?

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Comme vous l'avez peut-être constaté, l'eau se condense sur les conduites d'eau froide ou les fenêtres et de la glace se forme sur l'évaporateur de votre réfrigérateur. Cet effet de condensation des gaz et des vapeurs sur les surfaces froides (notamment la vapeur d'eau), tel qu'on le connaît dans la vie de tous les jours, se produit non seulement à la pression atmosphérique, mais également sous vide.

Cet effet est utilisé depuis longtemps dans les condenseurs, principalement dans le cadre des procédés chimiques ; auparavant, le déflecteur des pompes à diffusion était refroidi par des machines frigorifiques. Dans un espace étanche (chambre à vide), la formation de condensats sur une surface froide signifie qu'un grand nombre de molécules de gaz sont éliminées du volume : elles restent situées sur la surface froide et ne se trouvent plus dans l'atmosphère gazeuse agitée de la chambre à vide. On dit alors que les particules ont été pompées et on parle de pompes cryogéniques lorsque l'effet de pompage est obtenu au moyen de surfaces froides.

L'ingénierie cryogénique diffère de l'ingénierie de réfrigération dans la mesure où les températures impliquées sont inférieures à 120 K (< -153 °C / -243,4 °F). Nous abordons ici deux questions :
a) Quel est le principe de refroidissement utilisé dans l'ingénierie cryogénique ou dans les pompes cryogéniques et comment la charge thermique de la surface froide est-elle évacuée ou réduite ?
b) Quels sont les principes de fonctionnement des pompes cryogéniques ?

Types de pompes cryogéniques

En fonction du principe de refroidissement, on fait la différence entre les éléments suivants :

Cryostats à bain
Pompes cryogéniques à débit continu
Pompes cryogéniques réfrigérantes

Cryostats à bain

Dans le cas des cryostats à bain (dans le cas le plus simple, il s'agit d'un piège à froid rempli d'azote liquide LN₂), la surface de pompage est refroidie par contact direct avec un gaz liquéfié. Sur une surface refroidie par du LN₂ (T ≈ 77 K), le H₂O et le CO₂ peuvent se condenser. Sur une surface refroidie à ≈ 10 K, tous les gaz, à l'exception du He et du Ne, peuvent être pompés par le biais de la condensation. Une surface refroidie par de l'hélium liquide (T ≈ 4,2 K) est capable de condenser tous les gaz, à l'exception de l'hélium.

Pompes cryogéniques à débit continu

Dans les pompes cryogéniques à débit continu, la surface froide est conçue pour fonctionner comme un échangeur de chaleur. Une pompe auxiliaire pompe de l'hélium liquide en quantité suffisante depuis un réservoir dans l'évaporateur afin d'atteindre une température suffisamment basse sur la surface froide (panneau cryogénique).
L'hélium liquide s'évapore dans l'échangeur de chaleur et refroidit ainsi le panneau cryogénique. Le gaz résiduel généré (He) est utilisé dans un deuxième échangeur de chaleur pour refroidir le déflecteur d'une protection contre le rayonnement thermique qui protège le système contre le rayonnement thermique provenant de l'extérieur. Le gaz d'échappement d'hélium froid éjecté par la pompe à hélium est fourni à une unité de récupération de l'hélium. La température au niveau des panneaux cryogéniques peut être régulée en contrôlant le débit d'hélium.

Pompes cryogéniques réfrigérantes

Aujourd'hui, l'industrie utilise presque exclusivement des pompes cryogéniques réfrigérantes (froid à la demande). Ces pompes fonctionnent à peu près de la même manière qu'un réfrigérateur domestique ordinaire, dans lequel les cycles thermodynamiques utilisant de l'hélium en tant que réfrigérant suivants peuvent être utilisés :

Procédé de Gifford-McMahon
Procédé d'agitation
Procédé de Brayton
Procédé de Claude

Aujourd'hui, le procédé de Gifford-McMahon est le plus utilisé ; il s'agit de celui qui a été le plus développé. Il offre la possibilité de séparer les emplacements du grand compresseur et de l'unité d'expansion dans lesquels se déroule le procédé de réfrigération. Il est donc possible de concevoir une source de froid compacte et à faibles vibrations. Les séries de pompes cryogéniques fabriquées par Leybold fonctionnent avec des têtes froides à deux étages conformément au procédé de Gifford-McMahon décrit en détail ci-dessous.

La Fig. 2.65 représente une pompe cryogénique dans son intégralité. Cette dernière se compose du compresseur (1) qui est relié par des conduites de pression flexibles (2), et donc sans vibrations, à la pompe cryogénique (3). La pompe cryogénique elle-même se compose du carter de pompe et de la tête froide qui s'y trouve. L'hélium est utilisé en tant que réfrigérant qui circule en cycle fermé à l'aide du compresseur.

2.65 Tous les composants d'une pompe cryogénique réfrigérante.

Compresseur
Conduites de pression flexibles
Tête froide (sans surfaces de condensation)

La tête froide et son principe de fonctionnement

Dans la tête froide, un cylindre est divisé en deux espaces de travail V₁ et V₂ par un plongeur. Pendant le fonctionnement, l'espace droit V1 est chaud et l'espace gauche V₂ est froid. Pour une fréquence f du plongeur, la puissance frigorifique W du réfrigérateur est : (2.26)

2.26

Le plongeur est animé d'un mouvement de va-et-vient pneumatique de sorte que le gaz est forcé de traverser le plongeur et donc le régénérateur situé à l'intérieur du plongeur. Le régénérateur est un accumulateur de chaleur présentant une grande surface d'échange de chaleur et ainsi qu'une grande capacité, qui fonctionne comme un échangeur de chaleur au cours du cycle. La Fig. 2.66 représente les quatre phases de réfrigération dans une tête froide de réfrigérateur mono-étagée fonctionnant selon le principe de Gifford-McMahon.

Fig. 2.66 Phases de réfrigération d'une tête froide mono-étagée fonctionnant selon le procédé de Gifford-McMahon.

Phase 1 :
Le plongeur se trouve au niveau du point mort gauche ; l'espace V₂ où est produit le froid présente la taille minimale. La vanne N reste fermée, la vanne H est ouverte. Le gaz à la pression p_H traverse le régénérateur dans l'espace V₂. Le gaz se réchauffe alors en raison de l'augmentation de la pression dans l'espace V₁.

Phase 2 :
La vanne H reste ouverte, la vanne N est fermée : le plongeur se déplace vers la droite et éjecte le gaz de l'espace V₁ à travers le régénérateur vers l'espace V₂, où il se refroidit au niveau du régénérateur à froid. L'espace V₂ présente le volume maximal.

Phase 3 :
La vanne H est fermée et la vanne N vers le réservoir basse pression est ouverte. Le gaz se dilate de p_H à pN et se refroidit ainsi. Cela permet d'éliminer la chaleur de la zone et de la transporter vers le compresseur avec le gaz en expansion.

Phase 4 :
Lorsque la vanne N est ouverte, le plongeur se déplace vers la gauche ; le gaz de l'espace V_2,max traverse le régénérateur, se refroidit puis passe dans le volume V₁ et dans le réservoir basse pression. Le cycle est alors terminé.

Principe de fonctionnement de la tête froide Leybold GM

Take a look at this video to see how a cool head works in a cryopump

La tête froide à deux étages

Les pompes cryogéniques réfrigérantes fabriquées en série par Leybold utilisent une tête froide bi-étagée fonctionnant selon le principe de Gifford-McMahon (voir Fig. 2.67). Dans deux étages connectés en série, la température de l'hélium est réduite à environ 30 K au premier étage, puis à environ 10 K au deuxième étage. Les basses températures pouvant être atteintes dépendent, entre autres, du type de régénérateur. On utilise généralement du cuivre-bronze dans le régénérateur du premier étage et du plomb dans celui du deuxième étage. D'autres matériaux peuvent être utilisés en tant que régénérateurs pour des applications spéciales telles que les cryostats pour des températures extrêmement basses (T < 10 K). La conception d'une tête froide bi-étagée est représentée schématiquement sur la Fig. 2.67. Au moyen d'un mécanisme de commande comprenant une soupape de commande motorisée (18) avec un disque de commande (17) et des orifices de commande, on modifie d'abord la pression dans le volume de commande (16), ce qui provoque le déplacement des plongeurs (6) du premier étage et du deuxième étage (11) ; immédiatement après, la pression dans l'ensemble du volume du cylindre est égalisée par le mécanisme de commande. La tête froide est reliée au compresseur par des conduites de pression flexibles.

Fig. 2.67 Schéma d'une tête froide à deux étages.

Raccordements électriques et passage de courant pour le moteur dans la tête froide
Raccordement haute pression He
Raccordement basse pression He
Cylindre, 1er étage
Plongeur, 1er étage
Régénérateur, 1er étage
Volume d'expansion, 1er étage
1er étage (refroidissement) (bride en cuivre)
Cylindre, 2ème étage
Plongeur, 2ème étage
Régénérateur, 2ème étage
Volume d'expansion, 2ème étage
2ème étage (refroidissement) (bride en cuivre)
Chambre de mesure de la pression de vapeur
Piston de commande
Volume de commande
Disque de commande
Soupape de commande
Jauge pour le thermomètre de pression de vapeur d'hydrogène
Moteur dans la tête froide

La conception des pompes cryogéniques réfrigérantes

La Fig. 2.68 représente la conception d'une pompe cryogénique. Elle est refroidie par une tête froide bi-étagée. La protection contre le rayonnement thermique (5) avec le déflecteur (6) est étroitement liée thermiquement au premier étage (9) de la tête froide. Pour les pressions inférieures à 10^-3 mbar, la charge thermique est principalement due au rayonnement thermique. C'est pourquoi le deuxième étage (7) comportant les panneaux de condensation et de cryosorption (8) est entouré d'une protection contre le rayonnement thermique (5) qui est noire et polie à l'intérieur et nickelée à l'extérieur. Sans charge, le déflecteur et la protection contre le rayonnement thermique (premier étage) atteignent une température comprise entre 50 et 80 K au niveau des panneaux cryogéniques et d'environ 10 K au niveau du deuxième étage. Les températures de surface de ces panneaux cryogéniques sont déterminantes pour le procédé de pompage proprement dit. Ces températures de surface dépendent de la puissance frigorifique fournie par la tête froide et des propriétés de conduction thermique vers le carter de pompe. Pendant le fonctionnement de la pompe cryogénique, la charge provoquée par le gaz et la chaleur de condensation entraîne un réchauffement supplémentaire des panneaux cryogéniques. La température de surface ne dépend pas seulement de la température du panneau cryogénique, mais également de la température du gaz qui a déjà été gelé sur le panneau cryogénique. Les panneaux cryogéniques (8) fixés au niveau du deuxième étage (7) de la tête froide sont recouverts de charbon actif à l'intérieur afin de pouvoir pomper les gaz qui ne se condensent pas facilement et qui ne peuvent être pompés que par cryosorption (voir ci-dessous).

Fig. 2.68 Conception d'une pompe cryogénique réfrigérante (schéma).

Bride de vide poussé
Carter de pompe
Bride de vide primaire
Soupape de sécurité pour l'évacuation du gaz
Protection contre le rayonnement thermique
Déflecteur
2ème étage de la tête froide (≈ 10 K) ;
Panneaux cryogéniques
1er étage de la tête froide (≈ 50 à 80 K)
Jauge pour le thermomètre de pression de vapeur d'hydrogène
Raccordements de gaz hélium
Moteur de la tête froide avec carter et raccordements électriques

Regardez la vidéo ci-dessous pour voir une pompe cryogénique en action

Leybold COOLVAC iCL

Liaison des gaz aux surfaces froides

La conductivité thermique des gaz condensés (solides) dépend en grande partie de leur structure et donc de la façon dont les condensats sont produits. Des variations de conductivité thermique de plusieurs ordres de grandeur sont possibles ! A mesure que l'épaisseur des condensats augmente, la résistance thermique et donc la température de surface augmentent, ce qui réduit la vitesse de pompage. La vitesse de pompage maximale d'une pompe nouvellement régénérée est indiquée comme étant sa vitesse de pompage nominale. Le procédé de liaison des différents gaz de la pompe cryogénique s'effectue en trois étapes : tout d'abord, le mélange de différents gaz et vapeurs rencontre le déflecteur qui se trouve à une température d'environ 80 K. Ici, le H₂O et le CO₂ sont principalement condensés. Les gaz restants pénètrent dans le déflecteur et se heurtent à l'extérieur du panneau cryogénique du deuxième étage, qui est refroidi à environ 10 K. Des gaz tels que le N₂, l'O₂ ou l'Ar se condensent ici. Il ne reste que le H₂, le He et le Ne. Ces gaz ne peuvent pas être pompés par les panneaux cryogéniques et, après plusieurs impacts avec la protection contre le rayonnement thermique, ils passent à l'intérieur de ces panneaux qui sont recouverts d'un adsorbant (panneaux de cryosorption) où ils sont liés par cryosorption. Ainsi, pour les besoins de l'étude d'une pompe cryogénique, les gaz sont divisés en trois groupes en fonction des températures auxquelles leur pression partielle chute sous 10^-9 mbar à l'intérieur de la pompe cryogénique :

Les différences entre les différents mécanismes de liaison sont les suivantes :

Condensation cryogénique

La condensation cryogénique est la liaison physique et réversible de molécules de gaz par les forces de Van der Waals sur des surfaces suffisamment froides du même matériau. L'énergie de liaison est égale à l'énergie de vaporisation du gaz solide lié à la surface et diminue donc à mesure que l'épaisseur des condensats augmente, tout comme la pression de vapeur. La cryosorption est la liaison physique et réversible de molécules de gaz par les forces de Van der Waals sur des surfaces suffisamment froides d'autres matériaux. L'énergie de liaison est égale à la chaleur d'adsorption, qui est supérieure à la chaleur de vaporisation. Dès qu'une monocouche a été formée, les molécules suivantes se heurtent à une surface du même type (sorbant) et le procédé se transforme en condensation cryogénique. L'énergie de liaison plus élevée pour la condensation cryogénique empêche la croissance de la couche de condensats, limitant ainsi la capacité des gaz adsorbés. Cependant, les adsorbants utilisés tels que le charbon actif, le gel de silice, le gel d'alumine et le tamis moléculaire présentent une structure poreuse avec de très grandes surfaces spécifiques d'environ 10⁶ m²/kg. Le piégeage cryogénique est considéré comme l'inclusion d'un gaz à point d'ébullition bas et difficile à pomper, tel que l'hydrogène, dans la matrice d'un gaz à point d'ébullition plus élevé et qui peut être pompé facilement, tel que l'Ar, le CH4 ou le CO2. A la même température, le mélange de condensats présente une pression de vapeur de saturation inférieure de plusieurs ordres de grandeur à celle du condensat pur du gaz à bas point d'ébullition.

Compte tenu de la position des panneaux cryogéniques dans la pompe cryogénique, de la conductance de la bride de vide sur cette surface et de la séquence de pompage soustractive (ce qui s'est déjà condensé au niveau du déflecteur ne peut pas arriver à la deuxième étape et y consommer sa capacité), la situation se présente comme illustré sur la Fig. 2.69.

Fig. 2.69 Panneaux cryogéniques - La température et la position définissent l'efficacité de la pompe cryogénique.

Hydrogène - Vapeur d'eau - Azote
Conductance liée à la zone de la bride d'admission en l / s · cm² :
43,9           -      14,7         -      11,8
Vitesse de pompage liée à la zone de la pompe cryogénique en l / s · cm² :
13,2          -       14,6         -        7,1
Rapport entre la vitesse de pompage et la conductance :
30 %          -       99 %       -      60 %

Les molécules de gaz entrant dans la pompe produisent la vitesse de pompage théorique liée à la surface selon l'équation 2.29a pour T = 293 K. Les différentes vitesses de pompage ont été combinées pour trois gaz représentatifs H₂, N₂ et H₂0 provenant de chacun des groupes susmentionnés. La vapeur d'eau étant pompée sur toute la zone d'entrée de la pompe cryogénique, la vitesse de pompage mesurée pour la vapeur d'eau correspond presque exactement à la vitesse de pompage théorique calculée pour la bride d'admission de la pompe cryogénique. En revanche, le N₂ doit d'abord franchir le déflecteur avant de pouvoir être lié au panneau de condensation cryogénique. Selon la conception du déflecteur, 30 à 50 % de l'ensemble des molécules de N₂ sont réfléchies.

(2.29a)

Le H₂ arrive au niveau des panneaux de cryosorption suite à de nouvelles collisions et donc suite au refroidissement du gaz. Dans le cas de panneaux cryogéniques conçus de manière optimale et d'un bon contact avec le charbon actif, jusqu'à 50 % du H₂ ayant franchi le déflecteur peut être lié. En raison des restrictions concernant l'accès aux surfaces de pompage et le refroidissement du gaz par collision avec les parois à l'intérieur de la pompe avant que le gaz n'atteigne la surface de pompage, la vitesse de pompage mesurée pour ces deux gaz ne représente qu'une fraction de la vitesse de pompage théorique. La partie qui n'est pas pompée est principalement réfléchie par le déflecteur. En outre, la probabilité d'adsorption du H₂ diffère entre les différents adsorbants et est < 1, alors que les probabilités de condensation de la vapeur d'eau et du N₂ ≈ 1.

Les trois différentes capacités d'une pompe pour les gaz pouvant être pompés découlent de la taille des trois surfaces (déflecteur, surface de condensation à l'extérieur du deuxième étage et surface de sorption à l'intérieur du deuxième étage). Dans la conception d'une pompe cryogénique, on suppose une composition gazeuse moyenne (air) qui ne s'applique naturellement pas à tous les procédés de vide (procédés de pulvérisation, par exemple ; consultez la section « Régénération partielle » ci-dessous).

Grandeurs caractéristiques d'une pompe cryogénique

Les grandeurs caractéristiques d'une pompe cryogénique sont les suivantes (sans aucun ordre particulier) :

Temps de refroidissement
Valeur de croisement
Pression limite
Capacité
Puissance frigorifique et puissance frigorifique nette
Temps de régénération
Débit et débit pV maximal
Vitesse de pompage
Durée de vie ou durée de fonctionnement
Pression de démarrage

Temps de refroidissement

Le temps de refroidissement des pompes cryogéniques correspond à la durée entre le démarrage et le début de l'effet de pompage. Dans le cas des pompes cryogéniques réfrigérantes, le temps de refroidissement est défini comme le temps nécessaire pour que le deuxième étage de la tête froide passe de 293 K à 20 K.

Valeur de croisement

La valeur de croisement est une grandeur caractéristique d'une pompe cryogénique réfrigérante déjà froide. Elle est importante lorsque la pompe est raccordée à une chambre à vide via une vanne à vide poussé / à vide très poussé. La valeur de croisement est la quantité de gaz par rapport à T_n = 293 K que la chambre à vide peut contenir au maximum pour que la température des panneaux cryogéniques n'augmente pas de plus de 20 K en raison de l'explosion de gaz lors de l'ouverture de la vanne. La valeur de croisement est généralement indiquée sous forme de valeur pV en mbar · l.

La valeur de croisement et le volume V de la chambre permettent de déterminer la pression de croisement pc à laquelle la chambre à vide doit être évacuée avant d'ouvrir la vanne menant à la pompe cryogénique. Les valeurs suivantes peuvent servir de guide :

(2.27)

V = Volume de la chambre à vide (l),
Q2(20K) = Capacité frigorifique nette, en Watts, disponible au deuxième étage de la tête froide à 20 K.

Pression limite p_end

Dans le cas de la condensation cryogénique (consultez la section « Liaison des gaz sur les surfaces froides » ci-dessus), la pression limite peut être calculée à l'aide de l'équation suivante :

(2.28)

p_Sest la pression de vapeur de saturation du ou des gaz devant être pompés à la température TK du panneau cryogénique et T_G est la température du gaz (température de la paroi à proximité du panneau cryogénique).

Exemple : à l'aide des courbes de pression de vapeur de la Fig. 9.15 pour H₂ et N₂, on obtient les pressions limites résumées dans le tableau 2.6 pour TG = 300 K.

Fig. 9.15 Pression de vapeur de saturation ps de diverses substances pertinentes pour la technologie cryogénique dans une plage de température de T = 2 à 80 K.

Le tableau indique que pour l'hydrogène, à des températures T < 3 K à une température de gaz T_G = 300 K (c'est-à-dire lorsque le panneau cryogénique est exposé au rayonnement thermique de la paroi), des pressions limites suffisamment basses peuvent être atteintes. En raison d'un certain nombre de facteurs d'interférence tels que la désorption de la paroi et les fuites, les pressions limites théoriques ne sont pas atteintes dans la pratique.

Tableau 2.6 Températures limites à une température de paroi de 300 K

Capacité C (mbar · l)

La capacité d'une pompe cryogénique pour un certain gaz correspond à la quantité de gaz (valeur pV à Tn = 293 K) qui peut être liée par les panneaux cryogéniques avant que la vitesse de pompage pour ce type de gaz G ne chute sous 50 % de sa valeur initiale.
La capacité pour les gaz pompés par cryosorption dépend de la quantité et des propriétés de l'agent de sorption ; elle dépend de la pression et est généralement inférieure de plusieurs ordres de grandeur à la capacité indépendante de la pression des gaz pompés par condensation cryogénique.

Puissance frigorifique Q . (W)

La puissance frigorifique d'une source réfrigérante à une température T indique la quantité de chaleur qui peut être extraite par la source réfrigérante tout en maintenant cette température. Dans le cas des réfrigérateurs, il a été convenu d'indiquer, pour les têtes froides mono-étagées, la puissance frigorifique à 80 K et, pour les têtes froides bi-étagées, la puissance frigorifique du premier étage à 80 K et du deuxième étage à 20 K lors du chargement thermique simultané des deux étages. Pendant la mesure de la puissance frigorifique, la charge thermique est générée par les réchauffeurs électriques. La puissance frigorifique est la plus élevée à la température ambiante et la plus faible (nulle) à la température limite.

Puissance frigorifique nette Q . (W)

Dans le cas des pompes cryogéniques réfrigérantes, la puissance frigorifique nette disponible aux températures de fonctionnement habituelles (T1 < 80 K, T2 < 20 K) définit essentiellement le débit et la valeur de croisement. La puissance frigorifique nette est, selon la configuration de la pompe, beaucoup plus faible que la puissance frigorifique de la tête froide utilisée sans pompe.

Débit pV

Consultez la page dédiée aux Types de débit

Temps de régénération

En tant que dispositif de piégeage des gaz, la pompe cryogénique doit être régénérée au bout d'une certaine période de fonctionnement. La régénération consiste à éliminer les gaz condensés et adsorbés des panneaux cryogéniques par chauffage. La régénération peut être totale ou seulement partielle et diffère principalement par la manière dont les panneaux cryogéniques sont chauffés.

En cas de régénération totale, on fait la différence entre :

Le réchauffement naturel : après l'arrêt du compresseur, les panneaux cryogéniques ne se réchauffent d'abord que très lentement par conduction thermique, puis par les gaz libérés.
La méthode du gaz de purge : la pompe cryogénique est réchauffée par l'admission de gaz de purge chaud.
Le chauffage électrique : les panneaux cryogéniques de la pompe cryogénique sont chauffés par des réchauffeurs au premier et au deuxième étages. Les gaz libérés sont évacués soit par une vanne de surpression (méthode du gaz de purge), soit par des pompes primaires mécaniques. Selon la taille de la pompe, il faut s'attendre à un temps de régénération de plusieurs heures.

Régénération partielle

Etant donné que la limitation de la durée de vie d'une pompe cryogénique dépend, dans la plupart des applications, de la limite de capacité pour les gaz azote, argon et hydrogène pompés par le deuxième étage, il est souvent nécessaire de régénérer uniquement cet étage. Pendant la régénération partielle, la vapeur d'eau est retenue par le déflecteur. Pour cela, la température du premier étage doit être maintenue sous 140 K, faute de quoi la pression partielle de la vapeur d'eau deviendrait si élevée que les molécules d'eau contamineraient l'adsorbant du deuxième étage.

En 1992, Leybold a été le premier fabricant de pompes cryogéniques à développer une méthode permettant une telle régénération partielle. Ce procédé de régénération rapide est contrôlé par microprocesseur et permet une régénération partielle de la pompe cryogénique en 40 minutes environ, alors qu'il faut 6 heures pour une régénération totale basée sur la méthode du gaz de purge. Une comparaison entre les cycles typiques de régénération totale et partielle est présentée sur la Fig. 2.70. Le temps gagné par le système de régénération rapide est évident. Dans un environnement de production lié aux procédés de pulvérisation classiques, il faut compter une régénération totale au bout de 24 régénérations partielles.

Fig. 2.70 Comparaison entre une régénération totale (1) et une régénération partielle (2)

Débit et débit pV maximal : (mbar l/s)

Le débit d'une pompe cryogénique pour un certain gaz dépend du débit pV du gaz G à travers l'orifice d'admission de la pompe :

Q_G = q_pV,G ; l'équation suivante s'applique
Q_G = p_G · S_G avec
p_G = pression d'admission,
S_G = capacité de pompage du gaz G

Le débit pV maximal auquel les panneaux cryogéniques sont chauffés jusqu'à T ≈ 20 K, en cas de fonctionnement continu, dépend de la puissance frigorifique nette de la pompe à cette température et du type de gaz. Pour les pompes cryogéniques réfrigérantes et les gaz condensables, on peut s'inspirer de ce qui suit :

Q.2 (20 K) est la puissance frigorifique nette en Watts disponible au deuxième étage de la tête froide à 20 K. En cas de fonctionnement intermittent, un débit p_V plus élevé est autorisé (reportez-vous à la valeur de croisement).

Vitesse de pompage S_th

Ce qui suit s'applique à la vitesse de pompage (théorique) d'une pompe cryogénique :

(2.29)

A_K - Taille des panneaux cryogéniques
S_A - Vitesse de pompage liée à la surface (taux d'impact lié à la surface selon les équations 1.17 et 1.20, proportionnel à la vitesse moyenne des molécules de gaz dans la direction du panneau cryogénique).
α - Probabilité de condensation (pompage)
p_end - Pression limite (voir ci-dessus)
p - Pression dans la chambre à vide

(1.17)

(1.20)

L'équation (2.29) s'applique à un panneau cryogénique intégré à la chambre à vide, dont la surface est faible par rapport à la surface de la chambre à vide. A des températures suffisamment basses, α = 1 pour tous les gaz. L'équation (2.29) montre que pour p >> pend, l'expression entre parenthèses s'approche de 1 de sorte que dans le cas sursaturé p >> pend > Ps :

(2.29a)

TG - Température du gaz en K
M - Masse molaire

Le tableau 2.7 indique la vitesse de pompage SA liée à la surface en l · s^-1 · cm^-2 pour certains gaz à deux températures de gaz T_G différentes en K, déterminée selon l'équation 2.29a. Les valeurs indiquées dans le tableau sont des valeurs limites. Dans la pratique, l'état d'un équilibre pratiquement non perturbé (petits panneaux cryogéniques par rapport à une grande surface de paroi) est souvent faux, car de grands panneaux cryogéniques sont nécessaires pour obtenir des temps de pompage courts et un bon vide final. Des écarts sont également constatés lorsque les panneaux cryogéniques sont entourés d'un déflecteur refroidi au niveau duquel la vitesse des molécules pénétrantes est déjà réduite par le refroidissement.

Tableau 2.7 Vitesses de pompage liées à la surface pour certains gaz

Durée de vie ou durée de fonctionnement : supérieure (s)

La durée de fonctionnement de la pompe cryogénique pour un gaz donné dépend de l'équation suivante :

avec

C_G = Capacité de la pompe cryogénique pour le gaz G
Q_G(t) = Débit de la pompe cryogénique pour le gaz à l'instant t

Si la moyenne constante dans le temps du débit QG est connue, la formule suivante s'applique :

(2.30)

Une fois la période de fonctionnement t_op,G écoulée, la pompe cryogénique doit être régénérée en fonction du type de gaz G.

Pression de démarrage p_o

En principe, il est possible de démarrer une pompe cryogénique à la pression atmosphérique. Toutefois, cela n'est pas souhaitable pour plusieurs raisons. Tant que le libre parcours moyen des molécules de gaz est inférieur aux dimensions de la chambre à vide (p > 10^-3 mbar), la conductivité thermique du gaz est si élevée qu'une quantité inacceptable de chaleur est transférée aux panneaux cryogéniques. En outre, une couche relativement épaisse de condensats se formerait sur le panneau cryogénique lors du démarrage. Cela réduirait considérablement la capacité de la pompe cryogénique disponible pour la phase de fonctionnement réelle. Le gaz (généralement de l'air) serait lié à l'adsorbant, car l'énergie de liaison de celui-ci est inférieure à celle des surfaces de condensation. Cela réduirait encore la capacité déjà limitée de l'hydrogène. Il est recommandé de démarrer les pompes cryogéniques dans la plage de vide poussé ou de vide très poussé à l'aide d'une pompe primaire à des pressions p < 5 · 10^-2 mbar. Dès que la pression de démarrage est atteinte, la pompe primaire peut être arrêtée.

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Références

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Glossaire des unités
Références et sources

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Références et sources

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