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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
R.LEVALLOIS, Les pompes primaires et turbomoléculaires 3ème rencontre du RT Vide
Classification
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Cf Présentation
C.Prevost
R.LEVALLOIS, Les pompes primaires et turbomoléculaires 3ème rencontre du RT Vide
La première pompe primaire mécanique : la pompe à air
Otto Von Guericke 1602 - 1686
Hémisphères de Magdebourg
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R.LEVALLOIS, Les pompes primaires et turbomoléculaires 3ème rencontre du RT Vide
Pompes primaires ou volumétriques
Principe
soupape
Pression
volume
P1, V1
Patm
Penceinte
P2, V2 Prefoulement
+ dégagement de chaleur lors de la compression
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P≥Patm
R.LEVALLOIS, Les pompes primaires et turbomoléculaires 3ème rencontre du RT Vide
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
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R.LEVALLOIS, Les pompes primaires et turbomoléculaires 3ème rencontre du RT Vide
W.Gaede 1878 - 1945
1907 : pompe rotative à joint huile
W. Gaede : premières pompes industrielles
Début des pompes primaires industrielles
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R.LEVALLOIS, Les pompes primaires et turbomoléculaires 3ème rencontre du RT Vide
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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R.LEVALLOIS, Les pompes primaires et turbomoléculaires 3ème rencontre du RT Vide
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
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R.LEVALLOIS, Les pompes primaires et turbomoléculaires 3ème rencontre du RT Vide
Principe de fonctionnement
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
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R.LEVALLOIS, Les pompes primaires et turbomoléculaires 3ème rencontre du RT Vide
Pompe à Piston
Pompe piston « extrait larousse »
Admission du gaz
Principe de fonctionnement
Leybold, E250
Pfeiffer XtraDry
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R.LEVALLOIS, Les pompes primaires et turbomoléculaires 3ème rencontre du RT Vide
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
R.LEVALLOIS, Les pompes primaires et turbomoléculaires 3ème rencontre du RT Vide
Pompes à palettes sèches
Divac Leybold, membranes
Edwards XDS, spirales
Busch, Fossa, spirales
PfeifferMVP020, membranes
Principalement à huile sec
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R.LEVALLOIS, Les pompes primaires et turbomoléculaires 3ème rencontre du RT Vide
Principe de fonctionnement
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
R.LEVALLOIS, Les pompes primaires et turbomoléculaires 3ème rencontre du RT Vide
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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R.LEVALLOIS, Les pompes primaires et turbomoléculaires 3ème rencontre du RT Vide
Pompes à becs et à vis Principalement à huile sec
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Bush, Mink, à becs Leybold, LV80, à vis
R.LEVALLOIS, Les pompes primaires et turbomoléculaires 3ème rencontre du RT Vide
caractéristiques
Pompe à becs/griffes
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aspiration refoulement
Synchronisation
Roulements
Plusieurs étages en série + Roots pour vide limite
R.LEVALLOIS, Les pompes primaires et turbomoléculaires 3ème rencontre du RT Vide
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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R.LEVALLOIS, Les pompes primaires et turbomoléculaires 3ème rencontre du RT Vide
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
R.LEVALLOIS, Les pompes primaires et turbomoléculaires 3ème rencontre du RT Vide
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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R.LEVALLOIS, Les pompes primaires et turbomoléculaires 3ème rencontre du RT Vide
Les pompes Roots Principalement à huile sec
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R.LEVALLOIS, Les pompes primaires et turbomoléculaires 3ème rencontre du RT Vide
Principe de fonctionnement
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
R.LEVALLOIS, Les pompes primaires et turbomoléculaires 3ème rencontre du RT Vide
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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R.LEVALLOIS, Les pompes primaires et turbomoléculaires 3ème rencontre du RT Vide
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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R.LEVALLOIS, Les pompes primaires et turbomoléculaires 3ème rencontre du RT Vide
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)
R.LEVALLOIS, Les pompes primaires et turbomoléculaires 3ème rencontre du RT Vide
Solution 2 : lest d’air
Pression (hPa)
Taux de compression
Idée de Gaede !!
Air sec
Condensable
Condensable + Lest d’air
25
Patm
103
102
104 10
1
0,1
1 10 102 103 104 105
Pref
Principe identique ou adapté sur scroll, becs, piston, palettes !
R.LEVALLOIS, Les pompes primaires et turbomoléculaires 3ème rencontre du RT Vide
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
R.LEVALLOIS, Les pompes primaires et turbomoléculaires 3ème rencontre du RT Vide
Pompes à parois mobiles Gaede Holweck
19
20
1
92
3
Pompe à paroi mobile
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R.LEVALLOIS, Les pompes primaires et turbomoléculaires 3ème rencontre du RT Vide
Rappel sur les écoulements sous Vide
Le régime d’écoulement est déterminé grâce (unités SI) :
En fonction de ces valeurs, l’écoulement sera :
R.LEVALLOIS, Les pompes primaires et turbomoléculaires 3ème rencontre du RT Vide
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
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R.LEVALLOIS, Les pompes primaires et turbomoléculaires 3ème rencontre du RT Vide
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
R.LEVALLOIS, Les pompes primaires et turbomoléculaires 3ème rencontre du RT Vide
Pompes moléculaires
EDX Edwards
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R.LEVALLOIS, Les pompes primaires et turbomoléculaires 3ème rencontre du RT Vide
Pompes moléculaires
/!\ maintenance toute les 5000h
Pfeiffer : OnTool booster
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R.LEVALLOIS, Les pompes primaires et turbomoléculaires 3ème rencontre du RT Vide
Pompes à parois mobiles Gaede Holweck
Commercialisation de la première Pompe turbomoléculaire (Pfeiffer)
19
20
1
92
3
Becker
Pompe à paroi mobile
19
57
33
Becker
R.LEVALLOIS, Les pompes primaires et turbomoléculaires 3ème rencontre du RT Vide
Pompes à parois mobiles Gaede Holweck
Commercialisation de la première Pompe turbomoléculaire (Pfeiffer)
19
20
1
92
3
Becker
Pompe à paroi mobile
19
57
Modélisation (Shapiro & Kruger)
19
61
Modélisation par Monte Carlo
19
88
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R.LEVALLOIS, Les pompes primaires et turbomoléculaires 3ème rencontre du RT Vide 35
Pompe Turbomoléculaire
R.LEVALLOIS, Les pompes primaires et turbomoléculaires 3ème rencontre du RT Vide
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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R.LEVALLOIS, Les pompes primaires et turbomoléculaires 3ème rencontre du RT Vide
Stator : Ralentit les particules Oriente les particules vers l’ouverture de l’étage suivant
stator rotor
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Etage turbomoléculaire : principe
R.LEVALLOIS, Les pompes primaires et turbomoléculaires 3ème rencontre du RT Vide
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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R.LEVALLOIS, Les pompes primaires et turbomoléculaires 3ème rencontre du RT Vide
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
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R.LEVALLOIS, Les pompes primaires et turbomoléculaires 3ème rencontre du RT Vide
Utilisation particulière : Détecteur de fuite
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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
R.LEVALLOIS, Les pompes primaires et turbomoléculaires 3ème rencontre du RT Vide
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
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R.LEVALLOIS, Les pompes primaires et turbomoléculaires 3ème rencontre du RT Vide
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
R.LEVALLOIS, Les pompes primaires et turbomoléculaires 3ème rencontre du RT Vide
Pompes à parois mobiles Gaede Holweck
Commercialisation de la première Pompe turbomoléculaire (Pfeiffer)
19
20
1
92
3
Becker
Pompe à paroi mobile
19
57
Roulements magnétiques
(Frank et Usselmann)
19
77
Modélisation (Shapiro & Kruger)
19
61
Modélisation par Monte Carlo
19
88
43
R.LEVALLOIS, Les pompes primaires et turbomoléculaires 3ème rencontre du RT Vide
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
R.LEVALLOIS, Les pompes primaires et turbomoléculaires 3ème rencontre du RT Vide
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
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actifs
R.LEVALLOIS, Les pompes primaires et turbomoléculaires 3ème rencontre du RT Vide
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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R.LEVALLOIS, Les pompes primaires et turbomoléculaires 3ème rencontre du RT Vide
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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R.LEVALLOIS, Les pompes primaires et turbomoléculaires 3ème rencontre du RT Vide
Merci pour votre attention
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