Les pompes à vide

Les pompes à vide doivent aspirer la phase gazeuse excédentaire d'une installation afin de maintenir sa pression interne à la valeur souhaitée. Cette phase gazeuse peut être constituée de gaz de procédé, mais le plus souvent elle est constituée d'air qui pénètre dans l'installation sous vide par les défauts d'étanchéité.
Les pompes à vide sont en fait des compresseurs aspirant le gaz à une pression variable (la pression du procédé à maintenir sous vide) et le refoulant à une pression constante, souvent la pression atmosphérique. La plupart des technologies de compresseur sont utilisables comme pompe à vide.

Les pompes à vide elles même ont souvent besoin pour fonctionner, d'équipements associés tels que ballons de désengagement, condenseur et réfrigérant, ..., le tout fonctionnant comme une unité autonome, souvent dimensionnée et assemblée par un même fournisseur. On parlera alors de groupe de vide pour désigner cet ensemble.

Niveau de vide

Selon le degré de vide souhaité et le type de gaz à éliminer, on distingue deux grandes fonctions :

• Les pompes à vide primaire sont capables de créer une pression plus basse que la pression atmosphérique, mais supérieure à 10^-2 Pa. Elles fonctionnent généralement par compression volumétrique ou par éjection d'un fluide entrainant.
• Les pompes à vide secondaire sont capables de créer un vide plus poussé ou un ultra-vide, c'est-à-dire une pression plus basse que 10^-2 Pa. Elles fonctionnent généralement par transfert cinétique ou par capture des molécules de gaz. Elles nécessitent l'utilisation d'une pompe primaire en amont.

Pompes à vide primaire

Les pompes à vide peuvent être classées sous deux catégories:

• les pompes sèches
• les pompes à vis
• les pompes à lobes
• les pompes humides nécessitant l'usage d'un liquide pour l'étanchéité, le refroidissement, .... Les plus courantes sont:
• les éjecteurs
• les pompes à anneau liquide
• les pompes lubrifiées

Les pompes humides mettent en contact le gaz aspiré avec un liquide qui peut en dissoudre certains composants. Il peut s'en suivre les inconvénients suivants:

• encrassement
• augmentation de la tension de vapeur du liquide
• création d'un effluent pollué

Les pompes sèches nécessite un ajustement mécanique très précis pour éviter tout contact entre les pièces métalliques en mouvement tout en maintenant une bonne efficacité volumique. De plus la température interne doit être maîtrisée pour éviter toute dégradation du gaz véhiculé (polymérisation, décomposition, inflammation, ...).

Ejecteur

Un éjecteur utilise un fluide moteur à haute pression pour entraîner un fluide aspiré à basse pression. Les deux fluides mélangés sont déchargés à une pression intermédiaire.
Les fluides employés peuvent être:
- des liquides (trompe à eau, ...)
- des gaz (éjecteurs à vapeur, à air)

Le taux de compression d'un éjecteur étant en pratique limité, il est nécessaire pour obtenir des pressions très basses, d'associer plusieurs éjecteurs monté en série. La sortie de fluide moteur de l'un des éjecteurs est reliée à l'aspiration du suivant.
Si le fluide moteur est de la vapeur, afin de minimiser le débit à aspirer, on intercale en les deux éjecteurs, un condenseur, qui éliminera la majeur partie de la vapeur.

Pompe à anneau liquide

Un rotor muni de palettes radiales, est excentré dans une enceinte cylindrique. Les palettes sont fixes, mais leur extrémité plonge dans un liquide. En tournant, le rotor entraîne avec lui le liquide qui forme un anneau plaqué sur la paroi de l'enceinte.
Le liquide peut être de l'eau, une huile, ..., de faible viscosité, et exempt de matière abrasive.
Des ouïes pour le transfert du gaz sont ménagées près de l'axe du rotor. Les palettes isolent ainsi un volume de gaz dont le volume varie selon la position du rotor; à proximité de l'ouïe d'entrée du gaz, le volume de gaz est en expansion, tandis qu'il se contracte près des ouïes de refoulement.
Le liquide doit être alimenté en permanence, et est refoulé avec le gaz. Un ballon séparateur doit être installé sur le refoulement. Le liquide récupéré peut être recyclé vers le compresseur; il devra alors être refroidi dans un échangeur.
C'est un compresseur volumétrique. Le débit de gaz est proportionnel à la vitesse de rotation.

Le vide maximum qui peut être atteint, c'est-à-dire la pression minimale à l'aspiration, ne peut pas être inférieure à la tension de vapeur du liquide constituant l'anneau. Pour limiter la vaporisation du liquide, celui-ci devra être maintenu à une température la plus basse possible. Si un constituant du gaz aspiré peut se dissoudre dans le liquide de l'anneau, celui-ci devra être purgé et renouvelé.
La pression peut être aussi basse que 30 mbars avec de l'eau ou 10 mbars avec une huile; une pompe à vide mécanique ou un éjecteur peut lui être associé pour des pressions plus basses.

Pompe rotative à piston ou palettes

Selon un principe similaire aux pompes à anneau liquide, un piston excentré ou un rotor excentré muni de palettes mobiles, tourne dans une cavité cylindrique. Le contact avec la paroi est lubrifié et enferme de manière étanche un volume de gaz en expansion proche de l'ouïe d'aspiration et en contraction proche de l'ouïe de refoulement.
Une pression aussi basse que 0,001 mbars peut être atteinte. L'huile de lubrification peut se charger en composants provenant du gaz procédé aspiré, et doit alors être renouvelée pour maintenir les performances de la pompe.

Pompe à vis

Deux vis de pas inverse, l'une mâle et l'autre femelle, montées côte à côte et s'imbriquant l'une dans l'autre, tournent de manière parfaitement synchronisée, en sens inverse.
Elles enferment entre leurs filets, un volume gazeux qui est véhiculé d'une extrémité à l'autre de la vis.
Les vis sont ajustées pour ne jamais se toucher; elles peuvent donc être lubrifiées ou non. La lubrification permet une meilleure efficacité volumique (meilleure étanchéité entre les vis), mais l'absence de lubrification permet d'éliminer la contrainte du traitement de dépollution et de recyclage du lubrifiant.

Pompe à lobes «Roots»

Deux rotors tournent en sens inverse, de manière parfaitement synchronisée, dans le corps du compresseur.
Leur forme est telle qu'une poche de gaz est enfermée entre chaque rotor et le corps du compresseur, qui est transférée de l'aspiration vers le refoulement au cours du mouvement de rotation. Le faible jeu au point de contact des deux rotors interdit le retour du gaz depuis le refoulement vers l'aspiration.

Guide de sélection d'un groupe de vide

Pour les débits élevés (5000 à 50000 m3/h) et une pression à maintenir supérieure à 50 mbars, les pompes à anneau liquide sont préférées si le risque de contamination du liquide est faible ou acceptable. Une pompe à vis sera préférée si la contamination du fluide d'étanchéïté n'est pas acceptable.
Pour des débits inférieurs à 5000 m3/h et une pression à maintenir entre 10 et 50 mbars, une pompe volumétrique sèche ou éventuellement lubrifiée sera choisie pour son faible coût.
Pour des pressions entre 0,1 et 20 mbars, une pompe sèche ou un éjecteur à vapeur, si de la vapeur motrice est disponible, seront choisis.
Une configuration mèlant différentes technologies, en plusieurs étages, est souvent recommandée: