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Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique BM 4272 − 1 Pompes à transfert de gaz Pompes cinétiques par Jean LECLERC Ingénieur de l’École supérieure de chimie industrielle de Lyon Docteur 3e cycle chimie minérale et structurale Consultant ans l’article sur les pompes volumétriques paru dans les Techniques de l’Ingénieur, on a pu remarquer que ces pompes avaient pour principe uni- quement la compression par variation de volume. Ce n’est pas le seul principe physique permettant d’évacuer ou de transférer des gaz ou des vapeurs d’une enceinte pour la mettre « sous vide ». Le second principe utilisé consiste à changer le vecteur vitesse des molécules pour les entraîner dans un autre milieu. Ce changement peut être obtenu de plu- sieurs façons par voie mécanique, en imprimant aux molécules des composan- tes de vitesse pour les faire circuler où bon nous semble. Ces moyens diffèrent les uns des autres du macroscopique (ailettes de turbine...) au microscopique (chocs de molécules d’un ﬂuide sur les molécules à pomper...). Cela nous don- nera les différents types de pompes : — pompes à fluide moteur (éjecteur...) ; — pompes à entraînement mécanique (pompe turbomoléculaire, turbine axiale et canal latéral). Pour de plus amples renseignements sur la production du vide et les pompes volumétriques, on se reportera aux articles [BM 4 270] et [BM 4 271] de ce traité [1] [4]. 1. Déﬁnition normative ............................................................................... BM 4 272 - 2 2. Pompes cinétiques à ﬂuide moteur .................................................... — 2 2.1 Pompe à vide à éjecteur.............................................................................. — 2 2.2 Pompe à diffusion........................................................................................ — 2 2.2.1 Principe................................................................................................ — 2 2.2.2 Caractéristiques .................................................................................. — 3 2.2.3 Mise en œuvre .................................................................................... — 5 2.3 Pompe à diffusion et à éjecteur (booster à vapeur d’huile) ..................... — 6 3. Pompes cinétiques à entraînement mécanique .............................. — 6 3.1 Dépresseurs à turbine ................................................................................. — 6 3.1.1 Dépresseurs à ﬂux axial..................................................................... — 7 3.1.2 Dépresseurs à ﬂux radial ................................................................... — 7 3.2 Pompes moléculaires .................................................................................. — 8 3.3 Pompes turbomoléculaires......................................................................... — 9 3.3.1 Principe................................................................................................ — 9 3.3.2 Caractéristiques .................................................................................. — 10 3.4 Pompes turbomoléculaires hybrides ......................................................... — 12 3.5 Pompes turbomoléculaires cryogéniques................................................. — 12 Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. BM 4273 D POMPES À TRANSFERT DE GAZ ___________________________________________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. BM 4272 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique 1. Déﬁnition normative La norme NF X 10-501 donne la déﬁnition suivante d’une pompe cinétique : Ces deux groupes sont étudiés par la suite. 2. Pompes cinétiques à ﬂuide moteur Ce groupe comprend plusieurs types de pompes basés sur le même principe physique. Nous distinguerons deux sous-groupes : — le premier, essentiellement destiné au vide industriel (ou vide grossier), couvrant le domaine des pressions depuis une atmos- phère jusqu’aux environs de quelques pascals ; — le second allant de quelques pascals au vide poussé et à l’ultra- vide. 2.1 Pompe à vide à éjecteur Pour une étude détaillée sur les éjecteurs, le lecteur se reportera à l’article [B 4 250] de ce traité [5]. Suivant la nature du ﬂuide, nous aurons trois types de pompes : — la trompe à vide : « éjecteur qui utilise un liquide (habituelle- ment de l’eau) comme fluide d’entraînement » ; — l’éjecteur à gaz pour le vide : « éjecteur qui utilise un gaz non condensable comme fluide d’entraînement » ; — l’éjecteur à vapeur pour le vide : « éjecteur qui utilise une vapeur (d’eau, de mercure ou d’huile) comme fluide d’entraî- nement ». Remarque : l’industrie de la manutention a développé des petits éjecteurs à air comprimé compacts à plusieurs étages (ﬁgure 1). Ces éjecteurs peuvent aussi être utilisés comme pompe primaire pour amorcer des pompes moléculaires et turbomoléculaires hybri- des (cf. § 3.2) [1]. 2.2 Pompe à diffusion Le terme pompe à diffusion n’est pas correct car le mot diffusion n’a rien à voir avec le mode de fonctionnement. C’est une habitude des techniciens du vide : il faut parler de pompe à jets de vapeur. Ce sont essentiellement des pompes secondaires pour le vide poussé et l’ultravide. Elles ne peuvent fonctionner que « prévidées » par une pompe primaire qui abaissera préalablement la pression dans le domaine intermédiaire et moléculaire où le libre parcours moyen des molécules à pomper sera supérieur à quelques centimè- tres (une dizaine de pascals). 2.2.1 Principe La ﬁgure 2 schématise une telle pompe d’un modèle le plus cou- rant. Dans un réservoir dans lequel on fait un vide préalable, on chauffe à environ 200 °C une huile de masse molaire élevée (supérieure à 250) dont la pression de vapeur à température ambiante est très fai- ble (de l’ordre de 10−5 Pa et même moins) et qui aura, à une tempé- rature de 200 °C, une pression de vapeur relativement élevée (de l’ordre de 100 Pa). La vapeur d’huile monte dans les collecteurs et est envoyée dans le réservoir par des tuyères qui lui donnent une vitesse supersoni- que. Le jet de vapeur atteint la paroi refroidie par circulation d’eau. La vapeur s’y condense, coule sur la paroi et, par gravité, revient à la chaudière. L ’huile en phase vapeur et liquide travaille donc en cir- cuit fermé. Pendant leur trajet dans le réservoir, les molécules du jet de vapeur entrent en collision avec celles du gaz à pomper. « Pompe à vide dans laquelle une quantité de mouvement est communiquée au gaz ou aux molécules de façon telle que le gaz est transféré de l’admission vers le refoulement. On distingue les pompes cinétiques à ﬂuide moteur et les pompes cinétiques à entraînement mécanique. » Déﬁnition normative : « Pompe cinétique qui utilise la dépres- sion créée par un effet Venturi et dans laquelle le gaz est entraîné dans un jet à grande vitesse vers le refoulement. Un éjecteur fonctionne correctement dans les conditions d’un régime visqueux ou intermédiaire. » Figure 1 – Éjecteur (doc. PIAB) Déﬁnition normative : « Pompe cinétique dans laquelle une nappe de vapeur à faible pression animée d’une grande vitesse sert de ﬂuide d’entraînement. Les molécules de gaz diffusent dans cette nappe et sont entraînées vers le refoulement. Le nombre volumique de molécules de gaz est toujours faible dans la nappe de vapeur. Une pompe à diffusion fonctionne correcte- ment en régime moléculaire ». Refoulement Aspiration Air comprimé Clapet __________________________________________________________________________________________________________ POMPES À TRANSFERT DE GAZ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique BM 4272 − 3 La quantité de mouvement de la molécule de vapeur d’huile (masse élevée, grande vitesse) est considérablement plus grande que celle du gaz à pomper ; la molécule du gaz à pomper est donc renvoyée principalement dans la direction du jet de vapeur. La combinaison de l’action de trois jets (parfois quatre) produit l’effet de pompage désiré. Le gaz pompé est extrait de la partie inférieure du réservoir par une canalisation munie de chicanes aﬁn d’éviter l’entraînement d’huile en communication avec l’aspiration de la pompe primaire. 2.2.2 Caractéristiques ■Taux de compression et débit-volume Comme toute pompe à transfert (ou d’extraction), une pompe à diffusion peut se caractériser par son taux de compression à débit nul K0 et par son débit-volume pour un taux de compression unité S0. En général, dans la presque totalité des applications, le taux K0, fort élevé, n’est pas pris en considération. Quant au débit-volume S0, il est constant dans une très large gamme de pression et c’est lui qui sert à caractériser la pompe (cf. article [BM 4 270, ﬁgure 11]). Il est fonction du diamètre de la pompe et, théoriquement, proportionnel à la surface d’entrée. Le débit-volume maximal théorique Smax est donné par (cf. article [B 4 020] de ce traité) [6] : Smax = 11,6 A avec A surface d’entrée (cm2), Smax exprimé en dm3/s pour de l’air à 20 °C. On déﬁnit alors un facteur de Ho [12] : H = S0/Smax qui caractérise l’efﬁcacité de la pompe. Les pompes récentes ont un facteur de Ho supérieur à 0,5. On n’utilise plus guère aujourd’hui de pompes à diffusion de grands diamètres (on a fabriqué pour certaines enceintes de simula- tion spatiales des pompes de 1 500 mm de diamètre). On préfère actuellement, pour des débits-volumes supérieurs à 10 000 dm3/s, utiliser des pompes cryogéniques (cf. article [B 2 382] du traité Génie énergétique) [7]. Il est indispensable de prendre en compte d’autres caractéristi- ques spéciﬁques. Comme le montre la ﬁgure 3, le débit-volume est fonction de la nature des gaz pompés. Dans une pompe à diffusion, les gaz légers (dihydrogène, hélium) seront plus facilement pompés que les gaz lourds à masse molaire élevée (hydrocarbures) et la pression limite sera plus mauvaise. Le débit-volume (ou vitesse de pompage) est inversement proportionnel à la racine carrée de la masse molaire du gaz. Cela est une conséquence directe du mode de fonctionnement. ■Rétrodiffusion d’huile Bien que le jet de uploads/Ingenierie_Lourd/ pompe-cinematisque.pdf