Comment fonctionne une pompe turbomoléculaire ?
Le principe de la pompe moléculaire, bien connu depuis 1913, est que les particules de gaz à pomper reçoivent, par impact sur les surfaces en mouvement rapide d'un rotor, une impulsion dans la direction d'écoulement requise. Les surfaces du rotor, généralement en forme de disque, forment, avec les surfaces fixes d'un stator, des espaces intermédiaires dans lesquels le gaz est transporté vers l'orifice de refoulement. Dans la pompe moléculaire originale de Gaede et ses modifications, les espaces intermédiaires (canaux de transport) étaient très étroits, ce qui entraînait des difficultés de construction ainsi qu'une grande sensibilité à la contamination mécanique.
Principe de fonctionnement d'une pompe turbomoléculaire
A la fin des années 1950, il est devenu possible, grâce à une conception semblable à celle d'une turbine et à la modification des idées de Gaede, de produire une pompe techniquement viable appelée « pompe turbomoléculaire ». Les espaces entre les disques du stator et du rotor étaient de l'ordre du millimètre, ce qui permettait d'obtenir des tolérances beaucoup plus importantes. Ainsi, la sécurité de fonctionnement a été renforcée. Cependant, un effet de pompage significatif n'est atteint que lorsque la vitesse circonférentielle (au niveau du bord extérieur) des pales du rotor atteint l'ordre de grandeur de la vitesse thermique moyenne des molécules à pomper. La théorie cinétique des gaz fournit l'équation 1.17 pour c- o :
qui contient la dépendance au type de gaz en fonction de la masse molaire M. Le calcul impliquant les unités cgs (où R = 83,14 · 106 mbar · cm3 / mol · K) donne le tableau suivant :
Tableau 2.4 c en fonction de la masse molaire M
Alors que la dépendance de la vitesse de pompage par rapport au type de gaz est relativement faible
la dépendance de la compression k0 à débit nul et donc de la compression k, en raison de
est plus importante, comme le montre la relation déterminée expérimentalement sur la Fig. 2.55.
Exemple :
d'après la théorie, il s'ensuit que
Cela correspond bien, comme prévu (ordre de grandeur), à la valeur déterminée expérimentalement pour k0 (N2) = 2,0 · 108 de la Fig. 2.55. Compte tenu des optimisations des différents étages de rotor courantes aujourd'hui, cette considération n'est plus correcte pour l'ensemble de la pompe. La Fig. 2.56 représente les valeurs mesurées pour une pompe TURBOVAC 340 M moderne.
Fig. 2.55 TURBOVAC 450 - Compression maximale k0 en fonction de la masse molaire M
Fig. 2.56 Compression maximale k0 d'une pompe turbomoléculaire TURBOVAC 340 M pour les gaz H2, He et N2 en fonction de la pression de refoulement
Regardez la vidéo ci-dessous pour voir une pompe turbomoléculaire en action
Working principle of the turbomolecular pump TURBOVAC from Leybold
Avantages et inconvénients des différents types de roulements turbomoléculaires
Pour satisfaire à cette condition, des vitesses circonférentielles du rotor du même ordre de grandeur que les vitesses de rotor élevées c sont nécessaires pour les pompes turbomoléculaires. Ces vitesses vont d'environ 36 000 tr/min pour les pompes dotées d'un rotor de grand diamètre (TURBOVAC 1000) à 72 000 tr/min pour les rotors de plus petit diamètre (TURBOVAC 35 / 55). Des vitesses aussi élevées soulèvent naturellement des questions quant à la fiabilité du concept de roulement. Leybold propose trois concepts, dont les avantages et les inconvénients sont détaillés ci-après :
Lubrification à l'huile / roulements à billes en acier
+ Bonne compatibilité avec les particules par circulation d'huile lubrifiante
- Ne peut être installé qu'à la verticale
+ Entretien réduit
Lubrification à la graisse / roulements hybrides
+ Installation dans n'importe quel sens
+ Convient aux systèmes mobiles
± Le refroidissement par air convient à de nombreuses applications
+ Lubrification à vie (des roulements)
Sans lubrifiant / suspension magnétique
+ Aucune usure
+ Aucun entretien
+ Totalement exempt d'hydrocarbures
+ Niveaux sonores et de vibrations minimaux
+ Installation dans n'importe quel sens
Roulements à billes en acier / roulements à billes hybrides (roulements à billes en céramique) :
Même une brève déchirure de la fine pellicule de lubrification entre les billes et les chemins peut, si le même type de matériau est utilisé, entraîner une microsoudure au niveau des points de contact. Cela réduit considérablement la durée de vie des roulements. L'utilisation de matériaux différents dans les roulements dits hybrides (chemins : acier, billes : céramique) permet d'éviter l'effet de microsoudure.
Le concept de roulement le plus élégant est celui de la suspension magnétique. Dès 1976, Leybold a livré des pompes turbomoléculaires à suspension magnétique, les légendaires séries 550M et 560M. A cette époque, une suspension magnétique purement active (c'est-à-dire dotée d'électro-aimants) était utilisée. Les progrès de l'électronique et l'utilisation d'aimants permanents (suspension magnétique passive) sur la base du « système KFA Jülich » ont permis au concept de suspension magnétique de se répandre largement. Dans ce système, le rotor est maintenu dans une position stable sans contact pendant le fonctionnement, par des forces magnétiques. Aucun lubrifiant n'est nécessaire. Des roulements « de contact » sont intégrés pour l'arrêt.
Schéma d'une pompe turbomoléculaire
La Fig. 2.52 présente un schéma en coupe d'une pompe turbomoléculaire typique. La pompe est un compresseur à débit axial de conception verticale, dont la partie active ou de pompage est constituée d'un rotor (6) et d'un stator (2). Les pales de la turbine sont situées sur les circonférences du stator et du rotor. Chaque paire de rangées de pales circulaires rotor - stator forme un étage, de sorte que l'ensemble est composé d'une multitude d'étages montés en série. Le gaz à pomper arrive directement par l'ouverture de la bride d'entrée (1), c'est-à-dire sans aucune perte de conductance, au niveau de la zone active de pompage des pales supérieures de l'ensemble rotor-stator. Celui-ci est équipé de pales de portée radiale particulièrement importante pour permettre une grande zone d'entrée annulaire. Le gaz capturé par ces étages est transféré vers les étages de compression inférieurs, dont les pales présentent des portées radiales plus courtes, où le gaz est comprimé à la pression de refoulement ou à la pression de vide grossier. Le rotor de la turbine (6) est monté sur l'arbre d'entraînement, qui est supporté par deux roulements à billes de précision (8 et 11) logés dans le corps du moteur. L'arbre du rotor est directement entraîné par un moteur à moyenne fréquence logé dans l'espace de vide primaire du rotor, de sorte qu'aucun passage de l'arbre rotatif vers l'atmosphère extérieure n'est nécessaire. Ce moteur est alimenté et contrôlé automatiquement par un convertisseur de fréquence externe, normalement un convertisseur de fréquence statique à semi-conducteurs qui garantit un très faible niveau de bruit. Pour les applications spéciales, par exemple dans les zones exposées au rayonnement, on utilise des convertisseurs de fréquence de type moteur-générateur.
Fig. 2.52 Schéma d'une pompe turbomoléculaire TURBOVAC 151 lubrifiée à la graisse.
- Bride d'entrée de vide poussé
- Ensemble de stator
- Bride de ventilation
- Bride de vide primaire
- Protection contre les éclats
- Rotor
- Carter de pompe
- Roulements à billes
- Raccordement d'eau de refroidissement
- Moteur triphasé
- Roulements à billes
La configuration verticale rotor - stator assure des conditions d'écoulement optimales du gaz à l'entrée. Pour garantir un fonctionnement sans vibrations à des vitesses de rotation élevées, la turbine est équilibrée dynamiquement à deux niveaux lors de son assemblage.
Vitesse de pompage des pompes turbomoléculaires
Les caractéristiques de la vitesse de pompage (débit volumétrique) des pompes turbomoléculaires sont présentées sur la Fig. 2.53. La vitesse de pompage reste constante sur toute la plage de pression de service. Elle diminue à des pressions d'admission supérieures à 10-3 mbar, car cette valeur de seuil marque la transition de la zone d'écoulement moléculaire à la zone d'écoulement laminaire visqueux des gaz. La Fig. 2.54 indique également que la vitesse de pompage dépend du type de gaz.
Fig. 2.53 Vitesse de pompage de l'air de différentes pompes turbomoléculaires
Fig. 2.54 Courbes de vitesse de pompage d'une pompe TURBOVAC 600 pour les gaz H2, He, N2 et Ar
Taux de compression des pompes turbomoléculaires
Le taux de compression (souvent appelé simplement compression) des pompes turbomoléculaires est le rapport entre la pression partielle d'un composant gazeux au niveau de la bride de vide primaire de la pompe et celle au niveau de la bride de vide poussé : la compression maximale k0 correspond à un débit nul. Pour des raisons physiques, le taux de compression des pompes turbomoléculaires est très élevé pour les molécules lourdes, mais nettement inférieur pour les molécules légères. La relation entre la compression et la masse moléculaire est illustrée sur la Fig. 2.55. La Fig. 2.56 représente les courbes de compression d'une pompe TURBOVAC 340 M pour les gaz N2, He et H2 en fonction de la pression de refoulement. En raison du taux de compression élevé pour les molécules d'hydrocarbures lourdes, les pompes turbomoléculaires peuvent être directement raccordées à une chambre à vide sans l'aide d'aucun déflecteur ou piège refroidi et sans risque de pression partielle mesurable pour les hydrocarbures dans la chambre à vide (vide sans hydrocarbures ! Voir également la Fig. 2.57 : spectre de gaz résiduels au-dessus d'une pompe TURBOVAC 361). Comme la pression partielle d'hydrogène atteinte par la pompe primaire rotative est très faible, la pompe turbomoléculaire est capable d'atteindre des pressions limites de l'ordre de 10-11 mbar malgré sa compression plutôt modérée pour le gaz H2. Pour produire des pressions si basses, il faut bien sûr respecter strictement les règles générales de la technologie du vide très poussé : la chambre à vide et la partie supérieure de la pompe turbomoléculaire doivent être étuvées et des joints métalliques doivent être utilisés. A très basse pression, le gaz résiduel est principalement composé de H2 provenant des parois métalliques de la chambre. Le spectre de la Fig. 2.57 montre la composition du gaz résiduel devant l'entrée d'une pompe turbomoléculaire à une pression limite de 7 · 10-10 mbar d'équivalent azote. Il semble que la part de H2 dans la quantité totale de gaz s'élève à environ 90 à 95 %. La fraction de molécules plus « lourdes » est considérablement réduite et les masses supérieures à 44 n'ont pas été détectées. Dans l'évaluation de la qualité d'un spectre de gaz résiduels, les hydrocarbures mesurables provenant des lubrifiants utilisés dans le système de pompe à vide constituent un critère important. Bien entendu, un « vide totalement exempt d'hydrocarbures » ne peut être produit qu'avec des systèmes de pompe exempts de lubrifiants, par exemple avec des pompes turbomoléculaires à suspension magnétique et des pompes primaires à compression sèche. Lorsqu'ils fonctionnent correctement (ventilation à tout type d'arrêt), aucun hydrocarbure n'est détectable, même dans le spectre des pompes turbomoléculaires normales.
Fig. 2.57 Spectre au-dessus d'une pompe TURBOVAC 361.
M = Nombre de masse = Masse molaire relative à une ionisation 1
I = Courant ionique
Autres types de pompes turbomoléculaires
Une autre évolution de la pompe turbomoléculaire est la pompe turbomoléculaire hybride ou composée. Il s'agit en fait de deux pompes sur un arbre commun dans un seul carter. L'étage de vide poussé de la zone d'écoulement moléculaire est une pompe turbomoléculaire classique ; la deuxième pompe de la plage d'écoulement visqueux est une pompe moléculaire à traînée ou à friction.
Leybold fabrique des pompes telles que la pompe TURBOVAC 55 avec un étage Holweck intégré (compresseur à vis) et, par exemple, la pompe HY. CONE 60 ou HY. CONE 200 avec un étage Siegbahn intégré (compresseur à spirale). La pression de refoulement requise s'élève alors à quelques mbar, de sorte que la pompe primaire ne doit comprimer qu'environ 5 à 10 mbar à la pression atmosphérique. La Fig. 2.52a représente la vue en coupe d'une pompe HY.CONE.
Fig. 2.52a Section transversale d'une pompe turbomoléculaire HY.CONE.
- Orifice d'aspiration
- Bride de vide poussé
- Rotor
- Stator
- Roulement
- Moteur
- Ventilateur
- Roulement
Comment faire fonctionner les pompes turbomoléculaires avec une pompe primaire
En règle générale, les pompes turbomoléculaires doivent être démarrées en même temps que la pompe primaire afin de réduire le refoulement d'huile de la pompe primaire dans la chambre à vide. Un démarrage différé de la pompe turbomoléculaire est judicieux dans le cas de groupes de pompes primaires plutôt petits et de grandes chambres à vide. A une vitesse de pompage connue pour la pompe primaire SV (m3/h) et à un volume connu pour la chambre à vide (m3), il est possible d'estimer la pression d'allumage de la pompe turbomoléculaire :
Démarrage simultané lorsque
2.24a
et démarrage différé lorsque
2.24b
à une pression d'allumage de :
2.24c
Démarrage simultané lorsque
et démarrage différé lorsque
à une pression d'allumage de :
(2.24)
Lors de l'évacuation de volumes plus importants, la pression d'allumage des pompes turbomoléculaires peut également être déterminée à l'aide du schéma de la Fig. 2.58.
Fig. 2.58 Détermination de la pression d'allumage des pompes turbomoléculaires lors de l'évacuation de grands réservoirs
Prévention de la rétrodiffusion par ventilation dans les pompes turbomoléculaires
Après l'arrêt ou en cas de coupure de courant, les pompes turbomoléculaires doivent toujours être ventilées afin d'éviter toute rétrodiffusion d'hydrocarbures du côté du vide primaire dans la chambre à vide. Une fois la pompe arrêtée, l'alimentation en eau de refroidissement doit également être coupée pour éviter une éventuelle condensation de la vapeur d'eau. Afin de protéger le rotor, il est recommandé de respecter les durées de ventilation (minimales) indiquées dans la notice d'instructions. La pompe doit être ventilée (sauf en cas de fonctionnement avec un gaz de barrage) via la bride de ventilation qui contient déjà un dispositif d'étranglement en métal fritté, de sorte que la ventilation puisse être effectuée à l'aide d'une vanne normale ou d'une vanne de ventilation en cas de coupure de courant.
Fonctionnement au moyen d'un gaz de barrage
Dans le cas de pompes équipées d'un dispositif de gaz de barrage, un gaz inerte tel que l'azote sec peut être appliqué par l'intermédiaire d'une bride spéciale afin de protéger l'espace du moteur et les roulements contre les substances agressives. Une vanne spéciale de gaz de barrage et de ventilation mesure la quantité nécessaire de gaz de barrage et peut également servir de vanne de ventilation.
Découplage des vibrations
Les pompes TURBOVAC sont équilibrées avec précision et peuvent généralement être raccordées directement à l'appareil. Ce n'est que dans le cas d'instruments très sensibles, comme les microscopes électroniques, qu'il est recommandé d'installer des absorbeurs de vibrations qui réduisent au minimum les vibrations présentes. Pour les pompes à suspension magnétique, un raccordement direct à l'appareil de vide suffit généralement en raison des vibrations extrêmement faibles produites par ces pompes.
Pour les applications spéciales telles que le fonctionnement dans des champs magnétiques puissants, dans des zones à risque de rayonnement ou dans une atmosphère de tritium, veuillez contacter notre service commercial. Ce dernier dispose de l'expérience nécessaire et se tient à votre disposition en permanence.
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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
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Aperçu des unités de mesure et des symboles utilisés en technologie du vide, ainsi que des équivalents modernes des unités historiques
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