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18 mars 2013
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TECHNOLOGIE DES COUCHES MINCES
technique du vide (1/4)

pompes volumétriques: palettes la primaire classique
compresseur roots pour les gros débits
pompe à entrainement : jet de vapeur vide secondaire
pompe turbomoléculaire vide poussé propre
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Dans la plupart des cas, une couche mince va être déposée sur un substrat dans un environnement de vide poussé. Il existe deux grandes familles de moyen de production de vide: celle qui conduit au vide dit "classique" et celle qui génère un ultra-vide, encore appelé vide "propre". Dans chacune de ces techniques le vide poussé sera obtenu en deux étapes, une étape dite primaire qui exploitera un principe de pompage et conduira à des pressions réduites de l'ordre de 10-2 Pa et une étape secondaire utilisant des pompes nécessitant un prévidage pour fonctionner et amenant l'enceinte associée à de très basses pressions ( 10-5 Pa jusqu'à 10-10 Pa)

Dans un premier chapitre nous allons étudier les systèmes de pompage mécanique, c'est à dire impliquant un moteur électrique entrainant un dispositif en rotation, et les systèmes secondaires qui leur sont classiquement associés en particulier dans l'industrie chimique. Le second chapitre fera le tour des systèmes statiques de fixation majoritairement employés dans l'industrie nécessitant un vide dit propre telle celle des composants. Le troisième chapitre concernera le système typique d'obtention de l'ultra-vide qui sera toujours associé aux dispositifs du chapitre 2. Enfin dans un quatrième chapitre nous donnerons les notions essentielles concernant la mesure du vide.

POMPES VOLUMETRIQUES
pompe à palettes
A la fin du XIXe siècle, et au commencement du XXe, on a adapté à la Technique du Vide les principes de diverses pompes à mouvement rotatif. Les pompes à palettes, dont la construction est simple et bon marché, le fonctionnement sûr et la vie longue, sont de beaucoup les plus répandues : nous nous bornerons essentiellement à leur étude.

La figure 1(a) représente la coupe schématique de l'une d'elles. A l'intérieur d'un cylindre creux peut tourner un cylindre plein de diamètre plus faible ; les deux cylindres sont excentrés et tangents selon une génératrice que nous avons placée sur la figure sur le plan de symétrie diamétral vertical de la pompe.

Le cylindre intérieur est fendu sur toute sa longueur, diamétralement, par une fente de largeur faible. Dans cette fente glissent deux palettes que des ressorts écartent l'une de l'autre; quand le rotor tourne, la force centrifuge s'ajoute à l'action de ces ressorts. Les deux palettes sont donc toujours appuyées sur la face interne du corps de pompe.

La figure 1 (b) montre comment fonctionne la pompe. Le rotor est supposé tourner dans le sens trigonométrique. Quand les palettes sont dans la position représentée en 1(a), le corps de pompe est partagé par elles et par la génératrice de tangence en trois espaces distincts : 
Espace 1: en communication avec le récipient à vider;
Espace 2: isolé;
Espace 3: en communication avec le conduit de refoulement.
(a) . . (b)
Fig.1. Pompe à palettes : (a) Coupe schématique du corps de pompe (b) fonctionnement

On voit immédiatement (1b) que lorsque le cylindre intérieur tourne, le volume de l'espace 1 augmente continuellement (aspiration), tandis que celui de l'espace 3 diminue de même (refoulement) depuis le moment où une palette passe sur l'orifice d'entrée jusqu'à celui où après un demi-tour la seconde palette arrive devant le même orifice. A ce moment le compartiment 1 s'isole : nous l'appellerons désormais 2. Le rotor continuant à tourner, un nouveau compartiment 1 se forme dont le volume s'accroît pendant le second demi-tour et ainsi de suite.

Le frottement de la palette sur le stator garantit une certaine étanchéité améliorée par une petite quantité d'huile lubrifiante, retenue pour sa faible pression de vapeur à la température de fonctionnement qui peut atteindre 70-80°C. Pour obtenir une pression limite plus faible dans le volume à vider on met le plus souvent deux étages de ce type en série dans un même corps de pompe. Les pressions limites atteintes sont alors de l'ordre du microbar.
pompes de type ROOTS
Les pompes à palettes ne satisfont pas toutes les applications potentielles, en particulier dans le domaine de la grande industrie chimique, où les volumes à pomper sont parfois très importants, mais où les pressions souhaitées sont relativement médiocres. En outre le dispositif à palettes se prête mal à l'évacuation de gaz explosifs ou facilement inflammables en raison du risque d'étincelle du au frottement de la palette sur le stator. Dans ce cas on utilisera le dispositif ROOTS.

 


Dans un compresseur roots deux pistons rotatifs en forme de huit tournent en sens inverse avec des jeux de quelques dixièmes de millimètres. On obtient des débits élevés jusqu'à 10-2 Torr avec un taux de compression de l'ordre de 50 parfaitement adapté à l'industrie chimique.

POMPES A ENTRAINEMENT

Trois types de pompes à entraînement sont utilisés en pratique industrielle. Les deux premiers types sont essentiellement des pompes secondaires; elles travaillent sur des fluides dont l’écoulement est de type moléculaire. Les éjecteurs sont des pompes primaires ou secondaires; ils travaillent sur des fluides dont l’écoulement est visqueux.

Nous présentons en premier la pompe à jet de vapeur.
Pompe à jet de vapeur
On dit aussi pompes à flux de vapeur et plus généralement dans le langage des techniciens du vide pompes à diffusion bien que cette appellation n’ait aucun rapport avec leur mode de fonctionnement.

Ce sont essentiellement des pompes secondaires. Elles ne peuvent fonctionner que prévidées par une pompe qui abaisse préalablement la pression dans le domaine de la dizaine de pascals.

La figure 2 schématise une telle pompe d’un modèle le plus courant.

 


Fig.2 Pompe à jet de vapeur

Dans un réservoir dans lequel on a fait un vide préalable, on chauffe à environ 200°C une huile silicone de masse molaire élevée (>250) dont la pression de vapeur à température ambiante est très faible (de l’ordre de 10-5 Pa, ou moins), mais relativement élevée (de l’ordre de 102 Pa) à la température de 200°C.

La vapeur d’huile monte dans les collecteurs et est renvoyée dans le réservoir par des tuyères qui lui donnent une vitesse supersonique. Le jet de vapeur atteint la paroi refroidie par circulation d’eau . Elle s’y condense, coule sur la paroi et par gravité revient à la chaudière. L’huile en phase vapeur ou liquide travaille donc en circuit fermé.

Pendant son trajet dans le réservoir, les molécules du jet de vapeur entrent en collision avec celles du gaz pompé. La quantité de mouvement de la molécule de vapeur d’huile (masse élevée, grande vitesse) est considérablement plus grande que celle du gaz à pomper : la molécule du gaz à pomper est donc renvoyée principalement dans la direction du jet de vapeur.

La combinaison de l’action des trois jets produit l’effet de pompage désiré.

Le gaz à pomper est extrait de la partie inférieure du réservoir par une canalisation en communication avec l’aspiration de la pompe primaire.

Bien que le jet de vapeur soit dirigé par l’orientation des tuyères, une très faible partie de celui-ci est dispersée dans toutes les directions, et notamment vers l’enceinte. Si faible soit-elle, cette rétrodiffusion de vapeur d’huile est généralement considérée comme intolérable.

Toutes les pompes à jet de vapeur sont donc surmontées de dispositifs destinés à piéger ces vapeurs ; ce sont en général des structures à chevrons refroidies à l’eau appelées baffles. Ils doivent être optiquement étanches, c’est-à-dire ne pouvoir être traversés directement par les molécules qui, comme les rayons lumineux, se propagent en ligne droite. Certaines pompes modernes ont cette structure directement intégrée dans la pompe elle-même.

Pour abaisser encore s’il est nécessaire la pression de vapeur saturante de l’huile dans l’enceinte, on interpose sur le circuit de pompage un piège à azote liquide.
pompes turbomoléculaires
Les pompes statiques nécessitent un fluide porteur et donc sont susceptibles de rétrodiffusion d'huile, c'est pourquoi un autre dispositif a été développé pour les applications où l'on a besoin d'un vide propre, la pompe turbomoléculaire, dont le principe a été découvert par Gaède dès 1913.

 


Ici les gaz à pomper sont évacués vers une pompe à palettes par le biais d'un cylindre, tournant à grande vitesse à l'intérieur d'un stator entièrement fermé (soudé). L'idée est qu'à basse pression une molécule heurtant le cylindre va acquérir une composante de vitesse parallèle à celui-ci qui va progressivement l'entrainer vers l'extrémité. En fait le rapport des pressions primaire/secondaire est bien proportionnel à la vitesse de rotation mais reste voisin de 1. Cependant en multipliant les étages on finit par obtenir un effet substantiel de l'ordre de 107.


représentation de détail d'une coupe axiale : en a encoches, b disques mobiles, c disques fixes

En pratique le stator et le rotor sont constitués alternativement de disques comportant des rainures obliques ce qui produit un effet de pompage du centre vers les deux extrémités. Le rotor est entrainé par un moteur muni, d'une boite de multiplication, à 16000 voire 20000 tours/minute. Comme cette pompe travaille à la température ambiante et que le graissage des roulements à bille se situe dans la zone à pression élevée, on peut espérer atteindre des pressions aussi basses que 10-7 Pa avec une vitesse de pompage à peu près constante sur toute la plage de pression. La principale limitation de cette pompe provient de sa fragilité mécanique liée à sa grande vitesse de rotation, fragilité qui en limite aussi les dimensions (augmenter inféfiniment le nombre d'étages est impossible pour des raisons de rigidité de l'arbre) et donc les capacités de pompage (< 5m3/s).

Notons qu'on réalise industriellement des pompes horizontales aussi bien que verticales (photo).