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Comment fonctionne une pompe à diffusion ?

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Les pompes à diffusion se composent essentiellement (voir Fig. 2.44) d'un corps de pompe (3) avec une paroi refroidie (4) et un système de gicleurs à trois, quatre ou cinq étages (A - D). L'huile servant de fluide de pompe se trouve dans la chaudière (2) et est vaporisée par un chauffage électrique (1). La vapeur de fluide de pompe s'écoule à travers les tubes ascendants et sort à une vitesse supersonique des gicleurs en forme d'anneau (A - D). Par la suite, le jet ainsi formé s'élargit comme un parapluie et atteint la paroi où se produit la condensation du fluide de pompe. Les condensats liquides s'écoulent vers le bas sous la forme d'une fine pellicule le long de la paroi, et retournent finalement dans la chaudière. En raison de cette diffusion du jet, la densité de vapeur est relativement faible. La diffusion de l'air ou des autres gaz (ou vapeurs) pompés dans le jet est si rapide que, malgré sa vitesse élevée, le jet est pratiquement complètement saturé par le fluide pompé. Par conséquent, sur une large plage de pression, les pompes à diffusion présentent une vitesse de pompage élevée. Celle-ci est pratiquement constante sur toute la zone de travail de la pompe à diffusion (≤ 10^-3 mbar) car, à ces basses pressions, l'air ne peut pas influencer le jet, de sorte que sa trajectoire reste inchangée. A des pressions d'entrée plus élevées, la trajectoire du jet est modifiée. Par conséquent, la vitesse de pompage diminue jusqu'à devenir infiniment petite, à environ 10^-1 mbar.

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Fig 2.44 Mode de fonctionnement d'une pompe à diffusion.

Réchauffeur
Chaudière
Corps de pompe
Bobine de refroidissement
Bride de vide poussé
Molécules de gaz
Jet de vapeur
Raccordement de vide auxiliaire
Gicleurs A, B, C, D

La pression de vide primaire influence également le jet de vapeur et devient préjudiciable si sa valeur dépasse une certaine limite critique. Cette limite est appelée pression de refoulement maximale ou contre-pression critique. La capacité de la pompe de refoulement choisie doit être telle que la quantité de gaz refoulée par la pompe à diffusion soit pompée sans que la pression de refoulement ne soit proche de la pression de refoulement maximale ou ne la dépasse.

La pression limite pouvant être atteinte dépend de la construction de la pompe, de la pression de vapeur du fluide de pompe utilisé, de la condensation maximale possible du fluide de pompe et de la propreté du réservoir. De plus, le refoulement du fluide de pompe dans le réservoir doit être réduit autant que possible par des déflecteurs ou des pièges à froid appropriés.

Dégazage de l'huile de la pompe - Prévention de la contamination

Dans les pompes à diffusion d'huile, il est nécessaire de dégazer le fluide de pompe avant de le renvoyer dans la chaudière. En chauffant l'huile de la pompe, des produits de décomposition peuvent apparaître dans la pompe. La contamination du réservoir peut pénétrer dans la pompe ou être retenue dans la pompe en premier lieu. S'ils ne sont pas tenus à l'écart du réservoir, ces composants du fluide de pompe peuvent considérablement aggraver la pression limite qu'une pompe à diffusion peut atteindre. Par conséquent, le fluide de pompe doit être débarrassé de ces impuretés et des gaz absorbés.

Il s'agit de la fonction de la section de dégazage, à travers laquelle l'huile en circulation passe peu de temps avant d'être réintroduite dans la chaudière. Dans la section de dégazage, les impuretés les plus volatiles s'échappent. Le dégazage est obtenu par la distribution soigneusement contrôlée de la température dans la pompe. Le fluide de pompe condensé, qui s'écoule le long des parois refroidies sous la forme d'une fine pellicule, est porté à une température d'environ 130 °C (266 °F) en dessous de l'étage de diffusion le plus bas, pour permettre aux composants volatiles de s'évaporer et d'être éliminés par la pompe primaire. Par conséquent, le fluide de pompe qui se réévapore est constitué uniquement des composants les moins volatils de l'huile de la pompe.

Vitesse de pompage d'une pompe à diffusion

L'amplitude de la vitesse de pompage spécifique S d'une pompe à diffusion, c'est-à-dire la vitesse de pompage par unité de surface de la surface d'entrée réelle, dépend de plusieurs paramètres, dont la position et les dimensions de l'étage de vide poussé, la vitesse de la vapeur de fluide de pompe et la vitesse moléculaire moyenne c- du gaz pompé (reportez-vous à l'équation 1.17). A l'aide de la théorie cinétique des gaz, la vitesse de pompage spécifique maximale pouvant être atteinte à température ambiante pour l'air de pompage est calculée à partir de l'équation S_max = 11,6 l · s^-1· cm^-2. Il s'agit de la conductance de débit spécifique (moléculaire) de la zone d'admission de la pompe, qui ressemble à une ouverture de la même surface (reportez-vous à l'équation 1.30). En règle générale, les pompes à diffusion présentent une vitesse de pompage plus élevée pour les gaz légers que pour les gaz lourds.

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(1.17)

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(1.30)

Pour caractériser l'efficacité d'une pompe à diffusion, on définit ce qu'on appelle le facteur HO. Il s'agit du rapport entre la vitesse de pompage spécifique effectivement obtenue et la vitesse de pompage spécifique maximale théorique possible. Dans le cas des pompes à diffusion de Leybold, des valeurs optimales sont atteintes (de 0,3 pour les pompes les plus petites à 0,55 pour les pompes les plus grandes).

Pompes à diffusion d'huile fabriquées par Leybold

Les différentes pompes à diffusion d'huile fabriquées par Leybold se distinguent par les caractéristiques de conception suivantes (voir Fig. 2.45).

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Fig. 2.45 Schéma illustrant le principe de conception d'une pompe à diffusion.

Bride de raccordement de vide primaire
Anneau de centrage avec déflecteur de vide primaire
Ensemble de gicleur
Conduite de fluide de refroidissement
Bride de raccordement de vide poussé
Déflecteur à bouchon froid
Corps de pompe
Boîtier de raccordement électrique
Revêtement en tôle pour le chauffage

Série DIP

Dans ces pompes, le procédé d'évaporation du fluide de pompe, qui ne comporte pratiquement pas d'éclats, est effectué grâce à la conception exceptionnelle du réchauffeur, ce qui permet d'obtenir une vitesse de pompage extrêmement constante au fil du temps. Le réchauffeur est de type interne et se compose de cartouches chauffantes dans lesquelles sont introduits des tubes soudés sur des panneaux de conductivité thermique. Les tubes en acier inoxydable sont soudés horizontalement dans le corps de la pompe et sont situés au-dessus du niveau d'huile. Les panneaux de conductivité thermique en cuivre ne sont que partiellement immergés dans le fluide de pompe. Ces parties des panneaux de conductivité thermique sont dimensionnées de telle sorte que le fluide de pompe peut s'évaporer de manière intensive sans pour autant retarder l'ébullition. Les parties des panneaux de conductivité thermique situées au-dessus du niveau d'huile fournissent une énergie supplémentaire à la vapeur. En raison de la conception spéciale du système de chauffage, les cartouches chauffantes peuvent être remplacées même lorsque la pompe est encore chaude.
Les pompes DIP sont équipées d'une colonne de jets à quatre étages et sont adaptées au pompage dans une plage de pression allant de 10^-2 à 10^-8 mbar.

Série DIJ

La série DIJ présente une conception améliorée pour les applications nécessitant une vitesse de pompage élevée conjointement à des débits de gaz élevés dans une plage de pression allant de 5x10^-1 à 10^-7 mbar. La conception du réchauffeur comportant des panneaux de conductivité est inspirée de la série DIP, mais a été améliorée davantage. Au lieu d'une conception tubulaire où les cartouches chauffantes sont introduites dans des tubes en acier inoxydable, les pompes DIJ sont associées à une conception à brides. Les cartouches chauffantes sont montées de manière sûre et étanche dans le réservoir du réchauffeur et sont directement immergées dans le fluide de pompe. Cette conception permet d'améliorer le réchauffement du fluide de pompe et de simplifier l'entretien. La colonne de jets comprend un étage d'éjecteurs supplémentaires, ce qui permet d'obtenir une pression de vide primaire plus stable ainsi qu'un débit de gaz accru. Le principe de la pompe à diffusion étant basé sur le fioul, ces pompes font face à un problème majeur. Environ 80 % de l'énergie apportée à la pompe sera rejetée dans l'environnement. Les pompes de la série DIJ sont équipées d'une enveloppe d'isolation autour du réservoir du réchauffeur, qui les isole de l'environnement et permet d'améliorer le temps de chauffage ainsi que la consommation d'énergie.

Check out the video below to see a pumping animation of an oil diffusion pump in action

Fluides de pompe

Quelle huile est utilisée dans les pompes à diffusion ?

Les fluides de pompe adaptés aux pompes à diffusion d'huile sont les huiles minérales et les huiles de silicone. Ces huiles sont soumises à des exigences strictes qui ne peuvent être satisfaites que par des fluides spéciaux. Leurs propriétés, telles que la pression de vapeur, la résistance thermique et chimique, notamment vis-à-vis de l'air, déterminent le choix de l'huile à utiliser dans un type de pompe donné ou pour atteindre un vide limite donné. La pression de vapeur des huiles utilisées dans les pompes à vapeur est inférieure à celle du mercure. Les fluides de pompe organiques sont plus sensibles que le mercure dans le cadre du fonctionnement, car les huiles peuvent être décomposées par une admission d'air à long terme. Les huiles de silicone, en revanche, résistent plus longtemps aux admissions fréquentes d'air dans la pompe en fonctionnement.

L'huile minérale classique que propose Leybold pour les pompes à diffusion est l'huile LVO500. Cette huile minérale contient des fractions d'un produit de base de haute qualité (consultez notre catalogue) distillé avec soin. L'huile LVO500 est notre huile de pompe à diffusion standard pour les applications de vide poussé présentant une bonne stabilité thermique.

Pour assurer des performances optimales, Leybold propose l'huile LVO521 (consultez notre catalogue), une solution à base d'huile de silicone de haute pureté qui contient un silicone spécial pour vous aider à obtenir les meilleures performances de votre pompe dans les applications de vide poussé et très poussé. Elle offre une stabilité thermique élevée et est extrêmement résistante à l'oxydation et à la décomposition.

Pour les pompes à jet de vapeur d'huile, Leybold propose l'huile LVO540 (consultez notre catalogue), une huile hydrocarbonée spéciale. Elle présente une durée de vie prolongée et une stabilité thermique améliorée, une résistance thermique et chimique élevée et excelle grâce à un haut niveau de résistance à l'oxydation. Elle fournit la vitesse de pompage élevée nécessaire aux pompes à jet de vapeur dans la plage de vide moyen.

Pompes à diffusion de refroidissement

La puissance du réchauffeur qui est fournie en continu pour vaporiser le fluide de pompe dans les pompes à entraînement de fluide doit être dissipée par un refroidissement efficace. L'énergie nécessaire pour pomper les gaz et les vapeurs est minimale. Les parois extérieures du carter des pompes à diffusion sont refroidies, généralement avec de l'eau. Cependant, les pompes à diffusion d'huile plus petites peuvent également être refroidies par un flux d'air, car une faible température de paroi n'est pas aussi déterminante pour le rendement que pour les pompes à diffusion de mercure. Les pompes à diffusion d'huile peuvent fonctionner correctement à des températures de paroi de 30 °C (86 °F), tandis que les parois des pompes à diffusion de mercure doivent être refroidies à 15 °C (59 °F). Pour protéger les pompes contre le risque de défaillance de l'eau de refroidissement, dans la mesure où la bobine d'eau de refroidissement n'est pas contrôlée par un interrupteur de protection à commande thermique, un contrôleur de circulation d'eau doit être installé dans le circuit d'eau de refroidissement. Par conséquent, cela empêche l'évaporation du fluide de pompe des parois de la pompe.

Le mercure peut-il être utilisé dans les pompes à diffusion ?

Le mercure peut être utilisé en tant que fluide de pompe. Il s'agit d'un élément chimique qui, lors de la vaporisation, ne se décompose pas et ne s'oxyde pas fortement en présence d'air. Cependant, à température ambiante, il présente une pression de vapeur relativement élevée de 10^-3 mbar. Si l'on doit atteindre des pressions totales limites inférieures, il faut utiliser des pièges à froid contenant de l'azote liquide. Grâce à eux, il est possible d'obtenir des pressions totales limites de 10^-10 mbar avec des pompes à diffusion de mercure. Le mercure étant toxique et représentant un danger pour l'environnement, comme nous l'avons déjà mentionné, il n'est de nos jours pratiquement plus utilisé en tant que fluide de pompe.

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