VIDE TECHNIQUE DU

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Moyens de pompage

Les moyens de pompage utilisés en technique du vide illustrent parfaitement l'adage selon lequel la mesure perturbe toujours l'objet mesuré. En effet, pomper un gaz ou mesurer sa pression, c'est agir sur celle-ci. On peut donc employer le même principe, servi par la technologie qui assurera à la perturbation l'ampleur recherchée. On voit, par exemple, qu'il existe une analogie profonde entre un manomètre volumétrique et une pompe volumétrique, l'obtention d'une mesure absolue de la pression par l'un trouvant son équivalence dans la non-sélectivité aux gaz du débit-volume de l'autre. Et, dans le domaine de l'ultravide, alors que les quantités de matières assignables sont de plus en plus petites, c'est le même dispositif qui sert à la fois de pompe et de manomètre (pompe de Penning). Il en résulte que les conditions d'exploitation de ces matériels présentent des analogies.

Les pompes volumétriques sont faites d'un volume périodiquement variable. Les forts débits réclament l'emploi d'un piston, tandis que les petits se satisfont d'une membrane. La figure illustre le principe d'un modèle très répandu : la pompe à palettes mobiles. Le corps de la pompe est immergé dans un bain d'huile qui assure le refroidissement, la lubrification et l'étanchéité. On peut installer deux corps coaxiaux en série, ce qui multiplie les taux de compression. La pompe est alors dite à double étage. Lorsque la pompe atteint sa pression limite, soit quelque 10−3 hPa, une rétrodiffusion de vapeur d'huile se propage vers l'amont ; il est difficile de s'en protéger. Les besoins de l'industrie électronique en matière de propreté et de pompage des gaz réactifs ont induit la mise au point de pompes sèches dont le principe est illustré sur la figure. La fabrication est coûteuse, mais la pompe est « propre ». Les pompes volumétriques sont capables de refouler les gaz à la pression atmosphérique. Elles sont, pour cette raison, baptisées pompes primaires. Si le domaine du vide poussé doit être atteint, une pompe secondaire est introduite dans le circuit, entre l'installation et la pompe primaire. Son rôle est d'extraire les gaz résiduels et de les comprimer dans le domaine de pression où la pompe primaire remplit sa fonction. La valeur du flux à évacuer sert de guide pour choisir les conditions du couplage. Les principes mis en œuvre dans les pompes secondaires procéderont en grande majorité des interactions gaz-surfaces. Une paroi mobile, à l'intérieur d'un réservoir, perturbe l'isotropie de Maxwell-Boltzmann en privilégiant une direction particulière : celle selon laquelle la molécule reçoit une impulsion lors du choc avec la paroi mobile.

Pompe à palettes

Diaporama : Pompe à palettes

Schéma de principe d'une pompe à palettes. Deux palettes coulissent dans un rotor monté en position excentrée. En a, un volume croissant est créé du côté de l'orifice d'admission (A). Le gaz de l'enceinte se détend. En b, le volume est transféré, puis, en c, décroit du côté de... 

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Pompe à becs

Diaporama : Pompe à becs

Schéma de principe d'une pompe à becs. Deux rotors à becs tournent en sens opposés. On voit, en a, que le mouvement des becs engendre des volumes respectivement croissants (volume vert clair) et décroissants (volume vert foncé). En b, la lumière d'admission (A) reliée à l'enceinte à... 

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Les pompes cinétiques réalisent cette fonction. À la suite d'une cascade de chocs, la densité moléculaire est plus élevée à proximité de la bride de refoulement de la pompe. Il existe une variante : la pompe à diffusion d'huile. C'est un jet de vapeur saturante d'huile de poids moléculaire élevé qui communique l'impulsion. L'huile travaille en circuit fermé entre la chaudière où elle est chauffée à 200 0C, la tuyère, et une paroi refroidie avant de retourner à la chaudière. La pompe est très efficace mais, comme les pompes lubrifiées, le problème de la rétrodiffusion de l'huile se pose. Elle est donc de plus en plus souvent remplacée par la pompe turbomoléculaire. Un empilement d'aubages alternativement fixes et mobiles oblige les molécules à cheminer vers le refoulement. Un moteur électrique sous vide fait tourner la partie mobile de 400 à 1 000 tours par seconde selon la dimension de la pompe. L'ensemble mobile est supporté par des roulements à billes, mais, dans les modèles plus élaborés, l'axe de rotation est matérialisé par sustentation électromagnétique. La pompe est alors rigoureusement sèche. On peut l'employer pour l'ultravide. Toutes ces pompes, primaires ou secondaires, sont des pompes de transfert. À l'étanchéité près, l'installation est toujours en communication avec l'atmosphère. On peut donc craindre des rétrodiffusions en régime moléculaire ou des ruptures accidentelles dans la chaîne de pompage. On a développé, pour répondre à ce souci, des pompes fermées. Dans ce cas, après un prévidage suffisant, les molécules résiduelles sont extraites de la phase gazeuse en allongeant leur temps de séjour sur une surface active. La pompe se remplit progressivement, ce qui impose évidemment de disposer d'estimations correctes avant de lancer l'opération. Il existe deux sortes de pompes à fixation. La première utilise des phénomènes de physisorption. Les gaz sont fixés réversiblement sur des substances actives comme le charbon actif ou les zéolites. La surface spécifique de ces substances est considérable et se recouvre de gaz condensé quand la température diminue. On emploie, à cet effet, un fluide cryogénique comme l'hélium ou l'azote liquide. De nombreuses installations industrielles fonctionnent avec un cryogénérateur, entre 10−2 et 10−7 hPa pour une température de 20 kelvins. La pompe se régénère d'elle-même par retour à la température ambiante. Le second type de pompe fait appel à la chimisorption. Les gaz sont fixés irréversiblement par réactions chimiques sur la paroi active, du titane le plus souvent. Il faut donc la renouveler en permanence, à mesure que la réaction se poursuit. Dans la pompe à sublimation, on utilise ce phénomène pour déposer du titane depuis un filament chauffé. Dans la pompe ionique ou pompe de Penning, une charge de titane est exposée au bombardement des ions formés dans les conditions déjà vues. Cela provoque une pulvérisation du titane qui se dépose à l'état natif sur la paroi active. Le courant ionique étant proportionnel à la pression, la pompe sert aussi de manomètre. Elle est spécifique de l'ultravide et du vide extrême. L'analyse de surface, la physique des hautes énergies, la fabrication des dépôts épitaxiés par jets moléculaires ont été rendues possibles grâce au développement de ces pompes à titane, préalablement vidées par des pompes turbomoléculaires.

Pompes secondaires

Dessin : Pompes secondaires

Pompes secondaires. Dans la colonne de pompage à diffusion d'huile, aucune pièce n'est en mouvement, le vide s'établit par diffusion dans une nappe de vapeur condensable. Le refroidissement est assuré par circulation d'eau. La pompe turbomoléculaire (photo) établit le vide grâce à... 

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Pompes secondaires

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Pompes secondaires. Dans la colonne de pompage à diffusion d'huile, aucune pièce n'est en mouvement, le vide s'établit par diffusion dans une nappe de vapeur condensable. Le refroidissement est assuré par circulation d'eau. La pompe turbomoléculaire (photo) établit le vide grâce à... 

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Effets de la diminution de pression

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  • : docteur en métallurgie, ingénieur au Centre national de la recherche scientifique, président de la commission enseignement à la Société française du vide

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Pour citer l’article

Pierre AILLOUD, « VIDE TECHNIQUE DU », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 26 novembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/technique-du-vide/