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R.LEVALLOIS, Les pompes primaires et turbomoléculaires 3ème rencontre du RT Vide

Les pompes primaires et turbomoléculaires

3ème rencontre du RT Vide ANF « systèmes de pompage »

Octobre 2016 Romuald LEVALLOIS


Classification

2

Cf Présentation

C.Prevost


La première pompe primaire mécanique : la pompe à air

Otto Von Guericke 1602 - 1686

Hémisphères de Magdebourg

3


Pompes primaires ou volumétriques

Principe

soupape

Pression

volume

P1, V1

Patm

Penceinte

P2, V2 Prefoulement

+ dégagement de chaleur lors de la compression

4

P≥Patm


Limites

• fuites externes : joints corps, arbre transmission, soupape (mécanique ou dynamique) … • fuites internes lors de la compression

• volumes morts

MO

TEU

R

Joints labyrinthe, rotor chemisé, transmission magnétique, …

Étanchéité avec huile, jeux mécaniques très faibles

Optimisation des géométries, huile

5


W.Gaede 1878 - 1945

1907 : pompe rotative à joint huile

W. Gaede : premières pompes industrielles

Début des pompes primaires industrielles

6


Différents besoins -> différentes pompes

Pompe sèche : gaz sans contacts avec l’huile Joint d’huile : gaz en contacts avec l’huile

/!\ Une pompe sèche contient des lubrifiants pour les roulements

Principalement à huile sec

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Principe de fonctionnement

Pompe à palettes

aspiration transfert compression refoulement

http://nte-serveur.univ-lyon1.fr/pfcp/lcp/commun/pompe_palettes/pompe_a_palettes.htm

2 ou 3 palettes maintenues par ressorts ou libres Rotation ≈ 2000 tours/min

8



Pompe à palettes

Amélioration du taux de compression : 2 étages

Pascal, Alcatel, bi-étage

Débit volume (m3/h)

1 étage 10<<1200

2 étages 1<<100

Pression limite (hPa)

1 étage ≈5.10-2

2 étages ≈10-3

Si débit volume augmente alors le taux de compression diminue

Leybold, SV-BI, nouvelle gamme

9


Pompe à Piston

Pompe piston « extrait larousse »

Admission du gaz


Leybold, E250

Pfeiffer XtraDry

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Pompes à piston ou à palettes

L’huile pour : • Étancher les fuites • Lubrifier (roulements, palettes) • Refroidir (compression, frottements) • Protéger contre la corrosion

Système de

Filtration d’huile

Surveillance du niveau d’huile

Filtre anti-brouillard d’huile

Vanne de sécurité

Huile adaptée à l’utilisation et à la pompe +

Gestion stricte pour limiter la pollution

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Performances dépendent de l’huile (nature, usure, pollution)

Coût raisonnable Robuste

Pas de sélectivité sur les gaz Vide limite

Gestion de l’huile Remontée de vapeur


Pompes à palettes sèches

Divac Leybold, membranes

Edwards XDS, spirales

Busch, Fossa, spirales

PfeifferMVP020, membranes

Principalement à huile sec

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Pompe à membranes

Peu chère Maintenance aisée Sèche Propre (idéale RGA) Sélectivité sur les gaz légers

Débit volume faible Pression limite de 1mbar (bi-étage)

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http://www.labplant.co.uk/laboratory-pumps.html

Pour + de compression


Pompe à Spirales Principe de fonctionnement

•Sèche •Bon vide limite (haut gamme 10-3hPa) •Sélectivité sur les gaz légers

•Poussières (vanne de sécurité obligatoire) •Joints sur spirales à changer toutes les 9000h •Sélective sur He, H2

• joint frottant en PTFE/céramique (Edwards, Agilent,…) ou par soufflets soudés (Normetex). • pas de contacts gaz/roulements grâce à la transmission par soufflet.

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Pompes à becs et à vis Principalement à huile sec

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Bush, Mink, à becs Leybold, LV80, à vis


caractéristiques

Pompe à becs/griffes

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aspiration refoulement

Synchronisation

Roulements

Plusieurs étages en série + Roots pour vide limite


Pompe à becs/griffes

• Sèche • Température élevée pour être protégée des condensables • Protection des roulements par balayage • Très résistante (poussières, chimie, condensables,etc…) • Maintenance limitée (20000h)

•Refroidissement par eau •Pression limite sans roots : 5hPa •Chère •Sélectivité sur les gaz légers

Température élevée de la pompe (refroidissement à eau) Configuration « chimie » + Protection des roulements par balayage de gaz

injection

refoulement admission

Condensables, poussières

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Pompe à Vis Principe de fonctionnement

Optimisation pour la compression (pas variable) ou débit volume (pas fixe) Pression limite dépend du jeu mécanique /!\ temps de préchauffage

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Synchronisation mécanique ou électronique

Roulements


Pompe à Vis Principe de fonctionnement

• Sèche • Protection des roulements par balayage de gaz • Robuste •Maintenance limitée (20000h) •Peut être étanche •Peut être refroidie à air •Pression limite (gamme 10-3) •Silencieuse… avec silencieux

•Chère •Sélectivité sur les gaz légers •Si refroidissement à eau

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Les pompes Roots Principalement à huile sec

20



Pompe Roots simple étage

• Sans contacts mécaniques • Ne Refoule ni ne pompe à la pression atmosphérique. • taux de compression : 10 à 100 • Dépend de la pompe au refoulement (1/3 à 1/10 du débit max théorique)

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Risque si compression trop importante : surchauffe des lobes


Pompe Roots simple étage

Variantes : A piston ventilé, à clapet de décharge, à coupleur ou à régulation de vitesse pour démarrer dès la pression atmosphérique

• Sec • Robuste • Débit volume très important • Maintenance

•Pression limite 10-4hPa •Refroidi le plus souvent à l’eau •Nécessite une autre pompe

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Multiroots

Pfeiffer ACP

Kashiyama, Neodry

• Sec • Robuste (20000h) • Refroidi à air (<35m3/h) • Pas de poussières

•Maintenance complexe •Gaz légers •bruit

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Gaz condensables : solution 1

Pression de vapeur saturante : pression à laquelle la phase gazeuse d'une substance est en équilibre avec sa phase liquide ou solide à une température donnée dans un système fermé (Wikipédia).

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Exemple : Pvap saturante Eau : 23hPa à 20°C. Si idem dans enceinte (charbons actifs saturés, super-isolation,…)

Si pompe à 20°C, dès que Ppompe >Patm alors il y a condensation

Pour pompe à palettes + filtre, Pref=1,3bar

Formation d’eau liquide dans la pompe

Solution 1 Laisser chauffer la pompe : Pvap sat Eau à 70°C : 312hPa Tolérance beaucoup plus élevée (20% de vapeur d’eau)


Solution 2 : lest d’air

Pression (hPa)

Taux de compression

Idée de Gaede !!

Air sec

Condensable

Condensable + Lest d’air

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Patm

103

102

104 10

1

0,1

1 10 102 103 104 105

Pref

Principe identique ou adapté sur scroll, becs, piston, palettes !


Condensables : pour les cas les plus difficiles

Piège à azote

Pièger en amont ou aval de la pompe

Piège zéolite ou charbons actifs

Si récupération des gaz

• Attention à la pression de refoulement • Pas de retour direct au refoulement de la pompe

Condensation des gaz chauds pouvant retourner dans la pompe

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Et d’autres solutions : cf Poster « Le pompage d’un gaz condensable et corrosif : le Tétrabromurede Carbone CBr4 », C. Coinon –JL. Codron, IEMN


Pompes à parois mobiles Gaede Holweck

19

20

1

92

3

Pompe à paroi mobile

27


Rappel sur les écoulements sous Vide

Le régime d’écoulement est déterminé grâce (unités SI) :

En fonction de ces valeurs, l’écoulement sera :


Pompes moléculaires Principe de fonctionnement

Probabilité de réémission sur une paroi fixe donnée par la

loi de Lambert m = m0 . Cos

0

N

m0 m

29


Pompes moléculaires Principe de fonctionnement

Probabilité de réémission sur une paroi mobile

0

N

30

V: Vitesse au moins équivalente à celle des particules

V


Pompes moléculaires

EDX Edwards

31


Pompes moléculaires

/!\ maintenance toute les 5000h

Pfeiffer : OnTool booster

32



Commercialisation de la première Pompe turbomoléculaire (Pfeiffer)

19

20

1

92

3

Becker


19

57

33

Becker




19

20

1

92

3

Becker


19

57

Modélisation (Shapiro & Kruger)

19

61

Modélisation par Monte Carlo

19

88

34

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Pompe Turbomoléculaire


enceinte stator enceinte stator

Pour obtenir le pompage, il faut que les particules de gaz touchent les ailettes dans

les zones qui les orientent de manière privilégiée vers le stator (Shapiro)

Vitesse des pales > vitesse des particules

Etage turbomoléculaire : principe

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Stator : Ralentit les particules Oriente les particules vers l’ouverture de l’étage suivant

stator rotor

37

Etage turbomoléculaire : principe


Vitesse de Pompage : S

Vitesse de pompage/ débit volume dépend principalement : •Surface d’entrée (A) •Vitesse moyenne des ailettes (v : 12000 à 90000 tours/min) •Angle des ailettes : α • + rapport entre surface des ailettes et espace libre • mais peu de la masse du gaz -> très peu de sélectivité

Le débit volume de la pompe à « haute pression » dépends de la pompe au refoulement

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Taux de compression : K

Taux de compression (K0) dépend : • l’angle des ailettes (α) •vitesse moyenne des ailettes (v) •vitesse des particules directement dépente de -> K proportionnel à • + du nombre et du type des étages Il impose la pression limite de la pompe. Certains modèles permettent l’ultravide

Attention à la pression au refoulement pour atteindre la pression dans l’enceinte

Taux de compression typiques: N2 – 108-109

He – 104-106

H2 – 102-105

39


Utilisation particulière : Détecteur de fuite

40

L’hélium « remonte » à travers la pompe turbo pour rejoindre le détecteur

Pour détecteur à pompe sèche peu efficace sur les légers: ajout d’une pompe turbo


Couplage pompe primaire / turbo

Exemple : Quelle pression au refoulement pour obtenir 1.10-7 hPa avec Helium ?

Taux de compression de la pompe TV 80 Agilent

Taux de compression Hélium : 8.104

Pression refoulement = taux compression x pression aspiration = 1.10-7 x 8.104

Pression (Helium) au refoulement = 8.10-3mbar

41


Pression d’Amorçage

• Pression d’amorçage à Spompe primaire suffisant • Rien ne sert de démarrer trop tôt la pompe turbo car elle n’est efficace que lorsque le régime moléculaire est atteint.

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Vit

esse

de

po

mp

age

primaire

turbo




19

20

1

92

3

Becker


19

57

Roulements magnétiques

(Frank et Usselmann)

19

77

Modélisation (Shapiro & Kruger)

19

61

Modélisation par Monte Carlo

19

88

43


Roulements Roulements à graisse ou à huile ou céramique

Roulements « amortis » (limite les vibrations

• Coût • Maintenance si changement simple

•Maintenance (10000 à 30000h) •Pour roulement lubrifiés, risque de pollution à l’arrêt

Éviter position horizontale

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Roulements Céramiques +

aimant permanent coté

vide

Turbovac, Leybold


Roulements magnétiques

Mixte permanent -actif 5 axes actifs

Vue en coupe d’une suspension magnétique

• Pompes à paliers magnétiques : le rotor est maintenu en lévitation par des électro-aimants • Roulements secs (quelques atterrissages autorisés) • Système « générateur » /!\ au câble

• aucune pollution

•Longueur de câbles < 30m

45

actifs


Précautions

Pompes à roulements : verticales si possible • Pare-éclats, aspiration vers le bas • Suivi de la puissance consommée et température des roulements • Décélération rapide (vanne d’introduction de gaz, frein actif) • En stockage, faire tourner la pompe pour préserver les roulements • Attention au « serrage » (dimensionner mécaniquement les enceintes)

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Pompe turbomoléculaire En Bref

•10 à 10000l/s , peu sélective en débit volume •Pompe cinétique sélective en pression limite. • Faible compression pour H2 et He. • Pompe secondaire pour vide poussé et ultravide. • Pompe propre en rotation. • Mise en œuvre rapide et en toutes positions (pour les magnétiques • Sensible à la corrosion et aux microparticules (utilisation de bafles

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• Fundamentals of Vacuum Technology : http://newton.phys.uaic.ro/data/pdf/Vacuum%20Technology.pdf

• Cern Accelerator school (1999 ; 2006) http://cas.web.cern.ch/cas/Spain-2006/Spain-lectures.htm

http://cds.cern.ch/record/402784/files/CERN-99-05_full_document.pdf

• Technique du Vide (J.Arianer) https://cel.archives-ouvertes.fr/file/index/docid/92956/filename/cel-30.pdf

• Le vide dans les accélérateurs (présentation à l’école des

accélérateur (P.Dolegieviez) http://www.in2p3.fr/actions/formation/accelerateurs07/Le%20vide%20dans%20les%20accelerateurs.pdf

• U.S Particle Accelerator School http://uspas.fnal.gov/materials/15ODU/Session2_GasSources.pdf

• Know how book, Pfeiffer

Quelques références

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http://newton.phys.uaic.ro/data/pdf/Vacuum Technology.pdf

http://cas.web.cern.ch/cas/Spain-2006/Spain-lectures.htm





http://newton.phys.uaic.ro/data/pdf/Vacuum Technology.pdf






https://cel.archives-ouvertes.fr/file/index/docid/92956/filename/cel-30.pdf







http://uspas.fnal.gov/materials/15ODU/Session2_GasSources.pdf



Merci pour votre attention

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