Comment fonctionne une pompe à membrane ?

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Les pompes à vide à membrane sont des pompes à déplacement par oscillation. Elles appartiennent à la famille des pompes à vide à transfert de gaz. En raison de la plage qu'elles offrent, elles entrent dans la catégorie du vide grossier. Elles sont importantes dans les laboratoires où une pression de seulement quelques mbar est requise. Elles sont donc utilisées dans les laboratoires de chimie, dans le cadre de procédés pharmaceutiques ou médicaux, entre autres applications.

Principe de fonctionnement

Les pompes à vide à membrane sont des pompes à vide à compression sèche mono ou multi-étagées (des pompes à membrane comportant jusqu'à quatre étages sont en cours de fabrication). La circonférence d'une membrane est tendue entre une tête de pompe et la paroi du carter (Fig. 2.1). Elle est déplacée par oscillation au moyen d'une bielle et d'un excentrique. La chambre de pompage ou de compression, dont le volume augmente et diminue régulièrement, assure l'action de pompage. Les vannes sont disposées de telle sorte que pendant la phase où le volume de la chambre de pompage augmente, elle est ouverte à la conduite d'admission. Pendant la compression, la chambre de pompage est reliée à la conduite d'échappement. La membrane assure une fermeture hermétique entre la chambre d'engrenage et la chambre de pompage, de sorte qu'elle ne contient jamais d'huile ni de lubrifiants (pompe à vide à compression sèche). La membrane et les vannes sont les seuls composants en contact avec le fluide à pomper. Lorsque la membrane est recouverte de PTFE (téflon) et que les vannes d'admission et d'échappement sont fabriquées en élastomère hautement fluoré, comme c'est le cas pour la pompe DIVAC de Leybold, il est alors possible de pomper des vapeurs et des gaz agressifs. Ces pompes sont donc parfaitement adaptées aux systèmes de vide dans les laboratoires de chimie.

Fig. 2.1 Schéma de conception d'un étage de pompe à membrane.

1) Couvercle de carter 2) Vannes 3) Couvercle 4) Disque de la membrane 5) Membrane 6) Disque de support de la membrane 7) Bielle 8) Disque excentrique

Avantages des pompes à membrane

Récemment, les pompes à membrane ont gagné en importance, principalement pour des raisons environnementales. Elles constituent une alternative aux pompes à vide à jet d'eau, car les pompes à membrane ne produisent pas d'eaux usées. Globalement, une pompe à vide à membrane permet d'économiser jusqu'à 90 % des coûts de fonctionnement par rapport à une pompe à jet d'eau. Par rapport aux pompes à palettes rotatives, la chambre de pompage des pompes à membrane ne contient pas du tout d'huile. De par leur conception, aucun joint d'arbre immergé dans l'huile n'est requis.

Limites des pompes à membrane

En raison de la déformabilité élastique limitée de la membrane, seule une vitesse de pompage relativement faible est obtenue. Dans le cas de ce principe de pompage, un volume reste au point mort haut, appelé « espace mort », d'où les gaz ne peuvent pas être évacués vers la conduite d'échappement. La quantité de gaz qui reste à la pression d'échappement se dilate dans la chambre de pompage en expansion lors de la course d'aspiration suivante, la remplissant ainsi, de sorte que lorsque la pression d'admission diminue, la quantité de nouveau gaz entrant diminue de plus en plus. Le rendement volumétrique se dégrade donc continuellement pour cette raison. Les pompes à vide à membrane ne sont pas en mesure d'atteindre un taux de compression supérieur au rapport entre l'« espace mort » et le volume maximal de la chambre de pompage. Dans le cas des pompes à vide à membrane mono-étagées, la pression limite pouvant être atteinte est d'environ 80 mbar. Les pompes bi-étagées telles que la pompe DIVAC de Leybold peuvent atteindre une pression d'environ 10 mbar (voir Fig. 2.2), les pompes à trois étages peuvent atteindre une pression d'environ 2 mbar et les pompes à membrane à quatre étages peuvent atteindre une pression d'environ 5·10^-1 mbar.

Fig. 2.2 Principe de fonctionnement d'une pompe à membrane bi-étagée. Ouverture et fermeture des vannes, du circuit et du mécanisme de pompage pendant les quatre phases successives d'un tour de bielle (a-d)

Compatibilité avec les autres pompes et applications

Les pompes à membrane offrant une pression limite aussi faible, par exemple les pompes à membrane à trois têtes et à quatre têtes, peuvent être utilisées en tant que pompes primaires pour les pompes turbomoléculaires avec des étages de traînée moléculaire entièrement intégrés (pompes turbomoléculaires composées ou à large gamme). On obtient ainsi un système de pompage totalement sans huile, ce qui est très important pour les dispositifs de mesure impliquant des systèmes de spectromètres de masse et des détecteurs de fuites. Contrairement aux pompes à palettes rotatives, cette combinaison de pompes pour détecteurs de fuites offre l'avantage de ne pas dissoudre naturellement l'hélium dans la pompe à membrane, ce qui permet d'éviter totalement la formation d'un fond d'hélium. Cependant, le vide limite d'une pompe à palettes rotatives lubrifiée ou d'une pompe à spirales est nettement supérieur à celui des pompes à membrane, même à quatre têtes.

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