Débit de fuite sous vide

Le débit de fuite des installations sous vide (entendre le débit d'air extérieur pénétrant dans l'installation par les fuites), est:

• utile pour vérifier si le groupe de vide est suffisamment dimensionné
• utile pour connaître le temps nécessaire à une installation pour atteindre sa pression de travail
• utile pour vérifier si une autre source de gaz est aspirée par le groupe de vide
• indispensable pour définir et approvisionner un groupe de vide

Il n'est pas directement mesurable tant que les fuites ne sont pas identifiées et canalisées, mais il peut être estimé indirectement selon diverses méthodes.

Estimation pour la conception

Le débit de fuite des installations sous vide (entendre le débit d'air extérieur pénétrant dans l'installation par les fuites), est toujours difficile à évaluer à priori.
C'est pourtant une information indispensable pour dimensionner le système de création du vide.

Deux méthodes sont généralement utilisées:
- la méthode globale qui ne tient compte que du volume et de la pression
- la méthode détaillée qui tient compte de tous les éléments susceptibles de fuir.

Pour des pressions d'équipement <530 mbars, le régime d'écoulement de l'air au travers de la fuite est dit "critique";  le débit n'est plus influencé par la pression aval (la pression de l'équipement sous vide), mais ne dépend que de la pression amont (la pression atmosphérique) qui est constante; le débit d'entrée d'air par une fuite est alors indépendant de la pression de l'équipement sous vide.
Cependant, l'énergie requise par le système de mise sous vide (débit de vapeur sur un éjecteur ou puissance absorbée par une pompe), croît rapidement lorsque la pression du système décroît. On aura donc intérêt à adopter des étanchéités plus efficaces pour les pressions les plus basse afin de diminuer le débit débit de fuite et limiter la consommation énergétique du système de mise sous vide.

Méthode globale d'estimation

Une méthode d'estimation couramment utilisée est proposée par une association de constructeurs nord américains d'échangeurs de chaleur et d'équipements sous vide (Heat Exchanger Institute). Elle publie un document intitulé "Standards for steam jet vacuum system" dans lequel est présenté un diagramme donnant le débit de fuite attendu pour un système sous vide, en fonction de son volume et de sa pression interne, les étanchéités étant supposées conformes aux normes de la profession.
Ce diagramme peut être remplacé par une relation de la forme:

débit de fuite = k×V^2/3

avec k: facteur représentant le niveau d'étanchéité des connexions en fonction de la pression de travail

La société GEA dans une brochure technique publique "Product catalog ... Vacuum systems", confirme les estimations obtenues selon le diagramme proposé par HEI et précise le type d'étanchéité requis.

Bien que présentée dans des documents dédiés aux éjecteurs à vapeur, cette méthode est utilisable quel que soit la technologie envisagée pour créer le vide dans le système.

Le tableau ci-dessous donne un aperçu des résultats obtenus:

Ajouter 1 à 2 kg/h pour chaque passage d'arbre (agitateur par exemple),présent dans le système.

Le débit de fuite est estimé plus faible pour les pressions les plus basses, à la condition que des solutions techniques d'étanchéité plus performantes soient mises en oeuvre dans le but de limiter la consommation énergétique du groupe de vide.

Méthode détaillée d'estimation

	débit de fuite [kg/h]
raccord vissé diam <50 mm	0,05
bride diam - à 150 mm	0,025
bride diam 150 à 600 mm	0,40
bride diam 600 à 1800 mm	0,50
bride diam >1800 mm	1
bride ordinaire (par mètre de joint)	0,40
bride à emboîtement (par mètre de joint)	0,10
vanne	0,50
hublot	0,50
garniture mécanique (par mm de diam d'arbre)	0,005
garniture à tresse (par mm de diam d'arbre)	0,025
soupape ou casse-vide (par mm de diam nominal)	0,02

Mesure par la vitesse de remontée en pression

L'entrée d'air extérieur dans le volume constant et hermétiquement fermé d'un équipement ou d'une installation sous vide provoque l'augmentation de sa pression interne.
Attention cependant, l'entrée d'air n'est pas la seule cause de variation de la pression interne; elle peut également être due à:

• une variation de la température interne de l'installation par:
• échange avec l'air ambiant
• échauffement au soleil
• refroidissement par une pluie d'orage
• une vaporisation ou un dégazage de substances contenues dans l'installation

La procédure est la suivante:

• si l'installation est exposée aux variations météorologiques, choisir une journée de temps calme et avec une température extérieure stable
• s'assurer que l'installation est à la température ambiante
• faire le vide dans l'installation jusqu'à une pression largement inférieure à 500 mbars
• isoler l'installation du groupe de vide et de tout équipement pouvant introduire un gaz autre que provenant d'une fuite
• enregistrer dans le temps l'évolution de la pression
• calculer la vitesse de remontée en pression ΔP⁄ t en mbars/mn
• déterminer le volume de l'installation V en m³

Calculer le débit de fuite m_air en kg/h au moyen de l'expression:

m_air = 0,071×V×ΔP⁄ t

Mesure à l'Hélium

La capacité est mise en pression avec de l'azote contenant 1% d'Hélium, et les brides sont couvertes d'un adhésif afin de confiner la fuite.
Le détecteur est constitué d'une pompe qui aspire l'échantillon, reliée à un spectroscope de masse qui l'analyse.
Avec un mélange à 1% d'Hélium, le domaine de mesure est:
- limite inférieure: 0,01µl/sec
- limite supérieure: 30 ml/sec
La limite couramment acceptée est de 5µl/sec