La pompe moléculaire à air de Wolfgang Gaede
80e anniversaire de la mort de Wolfgang Gaede par Guido Pfefferle et Gerhard Voss
Le fonctionnement interne d’une pompe moléculaire à air dans des images historiques
Wolfgang Gaede décède le 24 juin 1945 à Munich. Avec cet article, les auteurs commémorent le 80e anniversaire de sa mort et publient pour la première fois des images révélant le fonctionnement interne d’une pompe moléculaire à air par les successeurs d’E. Leybold.
Le brevet de la pompe moléculaire à vide de Gaede
Bureau des brevets impériaux [Berlin] - Brevet no 239 213 Dr. Wolfgang Gaede à Fribourg-en-Brisgau - Pompe à vide rotative - Brevetée dans l’Empire allemand le 3 janvier 1909
Le titre du brevet no 239 213 peut ne pas sembler particulièrement spectaculaire au premier abord. Cependant, derrière le nom de « pompe à vide rotative » se cache une véritable étape dans la technologie du vide : la pompe moléculaire à air.
Dans la spécification de brevet susmentionnée, Wolfgang Gaede écrit : « La pompe moléculaire à air utilise uniquement la friction entre le gaz pompé et une surface solide en mouvement rapide pour transporter le gaz. L’utilisation d’un « liquide d’étanchéité », tel que le mercure ou l’huile, n’est pas nécessaire. « Dans la terminologie actuelle, cela signifie que la pompe moléculaire à air de Wolfgang Gaede était la première pompe à vide à compression sèche au monde.
La figure 1 [3] montre, à gauche, la pompe à air moléculaire fabriquée par Leybold selon le brevet de Gaede, ici illustrée évacuant un tube à rayons X. Naturellement, une pompe à palettes rotative Leybold est utilisée comme pompe primaire.
Principe de fonctionnement de la pompe moléculaire à air
Dans sa thèse d’habilitation [1], Wolfgang Gaede a introduit le terme « friction externe des gaz », décrivant l’interaction des molécules de gaz avec une surface solide en mouvement rapide. Sa pompe moléculaire à air fonctionne selon ce principe. Une représentation schématique du principe de fonctionnement de la pompe se trouve dans la Communication préliminaire sur une nouvelle pompe à vide limite, publiée en 1912 par E. Leybold's Nachfolger [2].
La « Figure 2 » incluse dans [2] est reproduite dans cet article en tant que Figure 2. Il est accompagné du texte d’origine suivant : « Des rainures de profondeur b et de largeur a sont découpées dans le cylindre A, qui tourne autour de l’axe a. À une distance h ', A est enfermé par un logement cylindrique B. D’un côté, un peigne à lamelles C, qui est fixé au carter B, dépasse dans les rainures. » [Sur la figure 1 (à gauche), le gaz est transporté de n à m lorsque le rotor A tourne dans le sens des aiguilles d’une montre à grande vitesse autour de l’axe a. Une perte indésirable de débit de gaz se produit lorsque le gaz revient de m à n à travers l’espace entre C et A. Dans la réalisation technique de la pompe, cet espace ne doit donc pas dépasser quelques centièmes de millimètre de large.] [Pour obtenir le meilleur vide limite possible, le gaz doit être fortement comprimé entre l’admission de la pompe (côté vide limite) et l'échappement (côté vide primaire). Cela s’effectue selon le principe suivant :] « Les rainures individuelles sont connectées en série, de sorte que l’ouverture m se connecte à n₁, m₁ à n₂, etc. Par conséquent, la pression du gaz diminue continuellement des extrémités du rotor vers le centre. »
La conception technique par Leybold
La figure 3 [3] montre la conception technique de la pompe à air moléculaire de Leybold dans une section longitudinale le long de l’axe du rotor a. Le boîtier B, représenté hachuré sur la figure 3, soutient l’ensemble supérieur K et y est fixé de manière « étanche ». Le rotor A, constitué d’un cylindre massif en laiton, est solidaire de l’axe a. Des rainures D sont fraisées dans le cylindre en laiton, dans lequel s’étend le peigne à lamelles C (hachuré foncé). En outre, S indique l’entrée de la pompe du côté vide limite, tandis que H désigne la poulie utilisée pour entraîner l’axe a. Il convient de noter que le véritable secret de la pompe réside dans l’ensemble supérieur K. Il contient un système complexe de canaux de distribution de gaz, dont il n’existe aucun dessin ni aucune photographie.
Un coup d'œil à l’intérieur de la pompe Leybold
Pour explorer le fonctionnement interne de la pompe à air moléculaire, nous avons d’abord retiré les quatre vis fixant l’ensemble supérieur K. Une fois desserré, l’ensemble a pu être soulevé du carterB - et nous avons été réellement surpris. Il n’y avait aucun joint entre l’ensemble et le carter, seulement du laiton contre du laiton, avec un peu de graisse.
La figure 4 représente à la fois la face inférieure de l’ensemble supérieur rabattu K et la face supérieure du boîtier B. Nous examinerons de plus près la face inférieure de K sur la figure 6. Sur la face supérieure de B, on peut voir une série de fentes qui se connectent à l’intérieur de B -et donc aussi aux rainures dans le rotor. De plus, le peigne à lamelles C est monté sur la face supérieure de B, aligné parallèlement à l’axe longitudinal de la pompe. Les trous pour les vis de montage sont également visibles sur la figure 4. Après avoir retiré les composants E, F, G et H représentés sur la figure 3, nous avons pu extraire et mesurer le rotor A. Selon nos mesures, il a un diamètre de 100,00 + 0,01 mm. Pour démontrer l’interaction entre le peigne à lamelles et le rotor, nous avons inséré le peigne fraisé à partir d’une seule pièce de laiton dans les rainures du rotor. Cela peut être vu plus en détail à la Figure 5.
Pour que le mécanisme fonctionne comme le montre la figure 2, une précision mécanique fine et une reproductibilité au centième de millimètre près sont absolument essentielles. Leybold était déjà en mesure d’atteindre ce niveau de précision en 1912.
Avec la figure 6, qui montre en détail la face inférieure de l’ensemble supérieur K, nous nous rapprochons du fonctionnement interne « secret » de la pompe à air moléculaire. À l’aide d’un liquide de nettoyage métallique, nous avons tracé les canaux internes.
Cela nous a permis de suivre en détail le trajet complexe du gaz entre les côtés vide limite (HV) et vide primaire (FV) : l’entrée du côté vide limite (connecteur HV S, en haut à gauche sur la Fig. 6) est connecté à la position 1 de la Fig. 6. De là, le rotor transporte le gaz vers la position 2 à droite. Cela signifie que le rotor, vu du côté étiqueté de K (E. Leybold's Nachfolger, Coeln and Berlin, German Imperial Patent), doit tourner dans le sens antihoraire.
À travers le canal visible rempli de brasure douce, le gaz se déplace de 2 à droite à 2 à gauche, puis via le rotor à 3 à droite, via un canal en K à 3 à gauche, via le rotor à 6 à droite, via un canal en K à 6 à gauche, via le rotor à 4 à droite, via un canal en K à 4 à gauche, via le rotor à 7 à droite, via un canal en K à 7 à gauche, via le rotor à 5 à droite, via un canal en K vers 5 à gauche,à travers le rotor vers 8 à droite,et enfin via un canal en K vers 8 à gauche, d’où il atteint la rainure annulaire (position FV) qui est connectée à la pompe primaire.
Nous nous excusons pour la longue explication, mais après 113 ans, elle a dû être notée et documentée. Nous avons ainsi pu confirmer expérimentalement l’affirmation de Wolfgang Gaede selon laquelle le gaz est extrait du centre de la pompe. La structure exacte du système de canaux internes en K ne peut vraisemblablement être déterminée de manière non destructive qu’à l’aide de rayons X. Il est important de noter que la rainure connectée à la pompe primaire entoure la zone de vide limite interne dans un anneau.
Cette conception garantit que toute fuite d’air de l’environnement (1 000 mbar) vers la rainure (0,1 mbar) est interceptée par la pompe primaire. La différence de pression entre la rainure annulaire et la position 1 est typiquement 10 000 fois inférieure à la différence de pression entre l’atmosphère ambiante et la rainure. Par conséquent, la fuite de la rainure vers la position 1 est beaucoup plus faible que celle de l’environnement dans la rainure. En résumé : la rainure annulaire protège la zone de vide poussé des fuites d’air provenant de l’atmosphère ambiante.
Epilogue
Leybold peut s’estimer chanceux que deux pompes à air moléculaire d’origine soient conservées dans les archives de Gaede. Cette circonstance favorable a inspiré l’idée de remettre l’une des pompes en état de fonctionnement. Cela a été réalisé avec succès, mais il reste encore du travail à faire pour optimiser pleinement le fonctionnement de la pompe.
Références
[1] Thèse d’habilitation de Wolfgang Gaede : The External Friction of Gases University of Freiburg im Breisgau, 1912 [2] Communication préliminaire sur une nouvelle pompe à vide poussé (pompe à air moléculaire) selon le Dr Gaede E. Leybold's Nachfolger, Cöln a[m] Rh[ein], 1912 [3] Liste de prix spéciale no VI sur les pompes à air moléculaires selon le Dr Gaede E. Leybold's Nachfolger, Cöln a[m] Rh[ein], 1912
Rédacteurs :
Guido Pfefferle
Prototypage et outillage E-mail : [email protected]
Dr Gerhard Voss
Archives Gaede Cologne
E-mail : [email protected]
