• Aucun résultat trouvé

Remarques sur les pompes à vide èlevé et leurs conditions d'emploi. Pompes à condensation fonctionnant sur vide primaire mediocre

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Partager "Remarques sur les pompes à vide èlevé et leurs conditions d'emploi. Pompes à condensation fonctionnant sur vide primaire mediocre"

Copied!
8
0
0

Texte intégral

(1)

HAL Id: jpa-00205241

https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00205241

Submitted on 1 Jan 1926

HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.

L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.

Remarques sur les pompes à vide èlevé et leurs conditions d’emploi. Pompes à condensation

fonctionnant sur vide primaire mediocre

L. Dunoyer

To cite this version:

L. Dunoyer. Remarques sur les pompes à vide èlevé et leurs conditions d’emploi. Pompes à condensa-

tion fonctionnant sur vide primaire mediocre. J. Phys. Radium, 1926, 7 (3), pp.69-75. �10.1051/jphys-

rad:019260070306900�. �jpa-00205241�

(2)

REMARQUES SUR LES POMPES A VIDE ÈLEVÉ ET LEURS CONDITIONS D’EMPLOI.

POMPES A CONDENSATION FONCTIONNANT SUR VIDE PRIMAIRE MEDIOCRE (1).

par M. L. DUNOYER

Sommaire. - On expose d’abord quelques considérations propres à guider dans le choix d’une pompe à vide élevé. S’il s’agit d’associer d’une manière permanente à la

pompe un appareil métallique au moyen d’une canalisation aussi courte et aussi grosse que l’on veut, les pompes moléculaires sont probablement les plus pratiques. Mais s’il est

impossible de réduire la longueur de la canalisation au-dessous de quelques décimètres et

d’y supprimer les étranglements, les pompes à condensation en verre sont plus avanta-

geuses, parce qu’il est facile d’en brancher plusieurs en parallèle en différents points de la canalisation. En outre, il n’est pas nécessaire de leur donner un débit supérieur à quel- ques centaines de cm3:s, car la vitesse avec laquelle le vide se fait dans l’enceinte est alors presque entièrement déterminée par le débit de la canalisation et dépend peu de la vitesse de la pompe. Dans ces conditions, on peut aussi se contenter de pompes pri-

maires donnant un vide médiocre et, par suite, très économiques.

On rend compte de quelques expériences destinées à l’établissement d’une pompe à condensation fonctionnant sur un vide primaire d’une vingtaine de millimètres de mercure

et on décrit le modèle auquel on s’est arrêté.

~. Remarques sur le choix d’un type de pompe pour vide élevé. - On sait que le vide limite et la vitesse sont les deux caractéristiques essentielles d’un type de pompes.

Ces deux propriétés ne sont indépendantes ni en ce qui concerne la construction de la pompe, ni en ce qui concerne son bon emploi, et, suivant les cas, il convient de donner plus d’im- portance à l’une ou à l’autre.

L’existence de fuites légères ou l’émission lente de vapeurs dans l’enceinte à évacuer ont pour effet que la pression limite atteinte dans cette enceinte est déterminée à la fois par la

pression limite propre de la pompe, par sa vitesse et par le débit propre (ou la résistance),

de la canalisation. En effet, soient P et p les pressions qui règnent dans l’enceinte et dans la pompe quand l’état de régime est atteint, et soit U, le débit propre de la canalisation, c’est-à-dire le volume qu’elle débite par seconde mesuré sous la pression moyenne qui y

règne, sous l’action d’une différence de pression motrice égale à l’unité ; enfin, soit U le

volume de gaz, mesuré sous la pression 1, qui se dégage dans l’enceinte par seconde. Le volume débité par la canalisation par seconde, mesuré sous la pression 1, est

donc on a

d’où

ou encore

Pour que l’on puisse appliquer cette formule, il faut que l’on puisse calculer le débit Ut, et

par conséquent que le régime d’écoulement soit le même tout le long de la canalisation, par

exemple moléculaire ; on a alors, d’après la formule de Knudsen,

(~) Communication présentée à la séance du 19 février 19~?6 de la Société française de Physique.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:019260070306900

(3)

70

U, étant ainsi défini, la pression P devient très grande par rapport à la pressionp (tout

en restant assez petite pour que l’écoulement soit partout moléculaire) quand le volume de gaz produit, t’, approche de 2 U,. La pression P pourra être, par exemple, égale à 100 fois la

pression p sans que l’écoulement cesse d’être moléculaire, si la pression p est de 0,01 P. de

mercure. Or, une canalisation de 1 m de longueur et de 10 mm de diamètre possède un

débit propre de 100 cm3 : s (pour de l’air). D’ailleurs, une production de gaz de 200 cmv : s

sous la pression de 1 p- de mercure provoquerait, dans un volume de 10 litres, en 1 heure,

une élévation de pression de 72 N. de mercure, et c’est, par suite, une production de gaz de l’ordre de celles que l’on peut parfaitement rencontrer.

Si donc une enceinte est reliée à la pompe par une canalisation longue et étroite, il est pratiquement impossible d’y atteindre le vide limite admis pour la pompe. Cela peut être

fort gênant ; mais c’est grâce aussi à cette propriété qu’il est possible, avec les pompes à

grande vitesse et à vide limite élevé, de maintenir une différence de pression importante

entre les deux parties d’un appareil communiquant par un orifice étroit, l’une étant à très basse pression, l’autre à pression assez élevée pour laisser passer la décharge. Disposition

très avantageuse qui a permis d’obtenir des résultats impossibles à obtenir autrement, par

exemple dans l’étude spectrale de l’ultraviolet extrême, dans celle des rayons positifs, etc.

Si l’on considère la production de gaz U comme donnée, pour que la pression limite 1>

atteinte dans l’enceinte soit aussi voisine que possible de la pression limite de la pompe p, il faut donner à U, la plus grande valeur possible. Mais il faut aussi que la vitesse ou le débit

-

de la pompe sous sa pression limite soit au moins égale à U1 (’). Si donc orc est maître de

choisir une canalisation très courte et très grosse, la recherche de la plus grande vitesse est primordiale. C’est ce qui a lieu, dans une large mesure, lorsque la pompe est destinée à faire en quelque sorte partie intégrante et permanente d’un ensemble, tel que spectro- graphe pour ultraviolet extrême, oscillographe cathodique, lampes triodes métalliques de grande puissance, etc. Chacun de ces appareils peut être construit avec sa pompe, montée

~en permanence et distraite de tout autre service. Rien ne gêne alors, en effet, pour choisir

une canalisation très courte et très grosse. Les appareils en question étant métalliques, le

raccordement d’une pompe métallique est tout indiqué. Enfin, si l’on employait une pompe à

condensation, la nécessité, du moins dans certains cas, d’éliminer la vapeur de mercure entraînerait l’ennui que comporte l’usage d’absorbants qu’il faut renouveler. Les pompes moléculaires mécaniques paraissent alors les plus comnaodes. On peut, en effet, bénéficier complètement de tous leurs avantages, grande vitesse et vide limite remarquable, si le

vide primaire est suffisamment bon.

Mais on n’est pas toujours maître du choix de la canalisation. C’est même le cas le plus fréquent, lorsqu’il s’agit non pas de faire le vide dans un appareil isolé formant un ensemble couipact, mais dans plusieurs appareils réunis par des tubes de verre, qui, devant être soudés

sur place et devant posséder uneminime élasticité, ne peuvent être ni très gros (30 à 35mm

de diamètre au maximum), ni très courts (en raison de l’encombrement inévitable des

.

appareils) et comportent même assez souvent, d’une manière obligatoire, des robinets et des étranglements capillaires. Ce genre de montage est notamment la règle toute les fois

que l’on ne cherche pas seulement à obtenir le vide le meilleur, mais où, après l’avoir fait,

on veut introduire un gaz pur sous pression réduite. Dans ces cas-là, nous pensons que les

pompes à condensation en verre sont nettement préférables, pour les raisons suivantes.

,

D’abord, il est facile, à peu de frais, d’en souder directement plusieurs en différents points de la canalisation, pour les faire travailler en parallèle, chacune sur une section con-

venablement choisie de la canalisation.

-

Ensuite, il n’est pas nécessaire, dans la plupart des cas, que la vitesse de ces pompes soit extrêmement grande. Ce fait présente une grande importance pratique parce qu’il permet de donner aux pompes des dimensions modestes et de les atteler sur une pompe

préliminaire donnant un vide médiocre, donc économique.

(1) Pour la définition de la vitesse, voir, par exemple : L. Du~oyER, « La Technique du Vide ».

(4)

71

En effet, dès qu’une canalisation atteint une longueur de quelques dizaines de centi- mètres avec un diamètre de l’ordre du centimètre, elle limite la vitesse avec laquelle le vide

se fait dans le récipient situé à l’extrémité opposée à la pompe à une valeur qui varie peu

avec la vitesse de celle-ci si cette vitesse est un peu grande. Soit SI la vitesse de la pompe mesurée avec une canalisalion infiniment courte; sa vitesse apparente "~2 après interposition

a

d’une canalisation de débit propre U1 sera donnée par la formule

de sorte que la limite de S, quand S, augmente indéfinilnent est (11, et que deux pompes

qui ont des vitesses très différentes mais toutes deux grandes par rapport à [/1 donneront des vitesses apparentes 82 sensiblement égales. Voici quelques résultats numériques ; on a supposé que le gaz aspiré était de l’azote à la température de O"C.

Il longueur de la canalisation, 1 mètre ; diamètre, 1 cm ; on a LTI = 107 cm~ : s.

2° Longueur de la canalisation, 2 mètres ; diamètre, 5 mm ; on a L q = 6,7 cm 3 : s.

On s’explique, par ces exemples, que dans beaucoup de cas les pompes modernes avide

ultra-rapide ne fassent pas gagner beaucoup de temps sur l’ancienne pompe Gaede à mer- cure et même sur la pompe de Geissler ou la trompe de Sprengel (qui conservent l’avantage,

il ne faut pas l’oublier, de permettre de recueillir les gaz évacués). La qualité d’une ponlpe

réside alors non plus dans sa vitesse 7nais uniquement dans la qualité de son vide liniite.

Naturellement, on ne peut plus songer à lui faire donner ce ride dans l’enceinte si celle-ci a

de légères fuites ou bien émet des gaz (voir plus haut).

On voit aussi; par les valeurs numériques inscrites ci-dessus, que, pour les cas qui

viennent d’être envisagés, on peut parfaitement se contenter d’un débit de 200 à 300 cm3 : s.

Mais si l’on se contente d’une vitesse relativement aussi faible, on peut donner à l’intervalle ’ compris entre l’orifice par lequel sort la vapeur de mercure et la paroi froide où elle se

condense, intervalle dans lequel se produit la diffusion du gaz à évacuer, une largeur beau-

coup plus faible que pour une pompe à condensation à grande vitesse. Or, si cet intervalle est plus faible, la pression primaire sous laquelle s’amorce la pompe à condensation est plus

forte. D’où la possibilité de n’employer que des pompes primaires bon marché et peu sen- sibles à l’usure (une trompe à eau, par exemple).

Nous donnons ci-dessous les résultats de quelques expériences sur l’amorçage, la

vitesse et le vide limite de pompes à condensation de dimensions diverses attelées sur une

pompe primaire donnant un vide de quelques millimètres à quelques dizaines de milli- mètres de mercure.

2. Essai d’un éjecteur à vapeur de mercure. - Nous avons d’abord essayé un éjecteur à vapeur de mercure comprenant une tuyère convergente suivie d’un ajutage divergent disposés comme dans une trompe à eau. En aval du second ajutage ou diffuseur,

la vapeur se condensait dans un réfrigérant. Le diamètre de la tuyère à son orifice était de

1, 90 mm, et celui de l’entrée de l’ajutage d’aval, de 2,45 mm; la distance des plans de

leurs orifices, de quelques dixièmes de millimètre ; les ouvertures angulaires des deux aju- tages, de 4 à 5°. La pression de la vapeur de mercure a varié de 10 à 85 mm. L’appareil n’a

pas fonctionné d’une manière satisfaisante : la pression primaire étant de 10 à 12 mm de mer-

cure, lapression secondaire n’est pas descendue au-dessous de 4 mm. Cet insuccès peut venir

en partie de ce que le profil des ajutages était mal approprié, mais surtout, je pense, de ce que la vitesse de la vapeur de mercure était trop faible. Pour l"augmenter, il faudrait augmenter

d’une manière qui deviendrait rapidement incommode, et même dangereuse (1) dans un

(1) indépendamment de ces difficultés, un autre obstacle empèche de se servir de vapeur de mercure

à haute température : son oxydation trop rapide quand on fait le vide sur de l’air, ce qui est le cas le

plus fréquent.

(5)

72

appareil en verre, la pression de la vapeur de mercure. J’ai donc renoncé à produire l’en-

traînement de l’air par friction comme dans la trompe à eau et dans les éjecteurs industriels à vapeur d’eau (dans lesquels la condensation de la vapeur ne joue, croit-on, aucun rôle notable) et j’ai cherché à appliquer directement aux pressions primaires élevées (10 à 30 mm)

,

le principe de la diffusion-condensation.

3. Essai de pompes à condensation à un seul étage. - Dans le premier modèle essayé à un seul étage, le tube d’où sortait le jet de vapeur de mercure était cylindrique et pénétrait de 10 mm dans un tube refroidi également cylindrique. L’intervalle entre les deux tubes était de 0,05 mm environ, soit 100 fois plus petit que dans les modèles courants de pompes à condensation. Il était donc permis d’escompter que la pompe donnerait le même vide limite que celles-ci sous une pression primaire 100 fois plus grande, soit environ 10 mm

de mercure. Elle était reliée il une jauge de McLeod par une canalisation de 50 cm de long

sur 2 cm de diamètre (volume total à évacuer 9U0 cm" environ). La courbe 1 (fig. i) repré-

sente la variation de la pression à partir du moment où cette pression a été mesurable à la jauge (1,85 min), soit deux heures après le début de la distillation. Les temps ont été portés en abscisses et les logarithmes des pressions en ordonnées. La courbe doit être une

droite lorsque la vitesse est constante, puisque celle-ci est donnée par la formule

en désignant par ~, p, et pl, la pression initiale, la pression à l’épôque t et la pression limite, et par V, le volume à évacuer.

On voit que la vitesse de la pompe essayée s’est montrée sensiblement constante, mais

extrêmement faible, 0,15 à 0,10 cm’ : s. Cela est compatible avec l’existence d’un bon vide

limite, mais atteint au bout d’un temps extrêmement long.

Cette lenteur pouvait résulter de la longueur de intervalle capillaire (10 mm) à travers lequel doit se faire la diffusion du gaz. J’ai donc fait un second essai en ne faisant pénétrer

l’orifice du jet de vapeur que jusqu’à l’entrée du diffuseur, c’est à-dire jusqu’à l’endroit où il devient cylindrique. Avec un vide primaire de 1~ mm et une pression de vapeur de mer-

cure de 50 à 70 mm j’ai obtenu alors la courbe 2 (figure 1), tracée seulement, comme la pre- mière, à partir du moment où les mesures à la jauge ont été possibles; mais ce moment

était atteint, cette fois, au bout de sept minutes seulement, aulieu de deux heures. D’autre part,

la courbe montre que la vitesse augmente rapidement quand la pression (secondaire) atteint

environ 0.1 mm; c’est ce que l’on peut appeler le phénomène de l’amorçage. La vitesse

est alors de 0,6 cm~ : s et conserve à peu près cette valeur jusqu’à l’établissement du vide limite 0,2 11-.

Cette expérience montre qu’il est possible, avec un seul étage et une pression de vapeur de mercure peu élevée, d’obtenir un vide limite très supérieur à celui qui est nécessaire

pour amorcer une pompe à condensation à grande vitesse, qui peut être constituée par un deuxième étage de la pompe même qui vient d’ètre étudiée. Seulement, il importait d’aug-

menter beaucoup la vitesse du premier étage et, si possible, la pression primaire.

Pour accroître la vitesse du premier étage, j’ai augmenté l’intervalle entre l’orifice du

jet de vapeur et le condenseur (de 0,05 à 0,‘3 mm). Avec une pression de vapeur de mer-

cure de 50 mm environ, on a obtenu les courbes de la figure 2, qui sont relatives à des

pressions primaires de 12, 15, 17, 20 et 21 mm. Pour les comparer à celles de la figure 1, il faut noter quo l‘échelle des temps est 10 fois plus grande surla figure~. Cette ccmparaison

montre :

a) que la vilesse moyenne d’une pompe à condensation travaillant sur une pression primaire de 10 à 20 mm Hg est extrêmement sensible au calibrage exact de l’intervalle com-

pris entre l’orifice du jet de vapeur et la paroi du diffuseur-condenseur. Ainsi, pour passer d’une pression primaire de 12 mm à une pression secondaire de 100 li., largement suffisante

pour l’amorçage d’une pompe à grande vitesse, il fallait 90 minutes avec l’intervalle de

0,~)5 mm et il ne faut plus que 7,5 minutes avec l’intervalle de 0,2 mm;

b) que le vide limite ne semble dépendre que peu de cet intervalle;

(6)

Fig. 1.

Fis. 2.

(7)

74

c) qu’avec l’intervalle utilisé (0,2 mm), on peut obtenir, avec une rapidité très acceptable,

le vide nécessaire pour amorcer une pompe à

grande vitesse, même oous une pression pri-

maire de 17 mm.

°

"

4. Essai de pompes à deux étages. -

Une fois obtenus les résultats précédents, nous

avons cherché à les utiliser et à les améliorer

encore en les appliquant à la construction d’une pompe à deux étages.

.

Le modèle auquel nous nous sommes fina- lement arrèté est représenté figure 3. Le mer-

cure, chauffé en E par un petit brûleur Bunsen, donne de la vapeur sous 20 à 40 mm de

pression, qui sort de l’ajutage B dans le diffu- seur-condenseur A ; c’est le premier étage, le Fig. 3. vide primaire étant fait par la tubulure qui porte l’indication « trompe à eau ». Le second étage est constitué par l’intervalle entre la cloche C et la pal’o~ du réfrigérant qui l’entoure.

La vapeur qui alimente cet étage sort du tube B dans la cloche C par les petits trous t. ~Le

vide secondaire se fait en D. Il y a deux tubes verticaux de retour pour le mercure quï’se

condense dans chacun des deux étages. L’ensemble de l’appareil a été dessiné en vue de

réduire le plus possible la quantité de mercure employé et~ le trajet que doit parcourir la

(8)

75

vapeur avant d’atteindre les orifices où elle est utilisée ; cela présente l’avantage d’une mise

en route rapide à partir du moment l’on commence à chauffer le mercure. Il ne faut guère plus de trois à quatre minutes, le mercure étant froid, pour que la vapeur commence à passer abondamment à travers les ajutages. On peut, pendant ce temps-là, faire le vide primaire.

En donnant à l’intervalle entre le jet de vapeur et le diffuseur-condenseur la valeur de 0,15 mm seulement, il a été possible, avec cet appareil, d’atteindre un vide limite de

0, 02 ~t en partant d’une pression primaire de 36 mm de mercure. Mais la vitesse était trop

faible. Il a semblé préférable d’obtenir une vitesse plus grande en admettant que la pompe

primaire donnerait un vide un peu meilleur. Nous nous sommes arrêté à 20 mm environ. Il

a été possible alors de porter l’intervalle de diffusion du premier étage à 0,7 mm, La figure 4 reproduit les courbes obtenues à partir de diverses pressions primaires, soit sur une enceinte

de 900 cm3 comprenant seulement une jauge de McLeod, soit sur une enceinte comprenant un

ballon de 6 litres et une jauge, reliée à la pompe par l’intermédiaire d’une vanne à mer- cure faisant fonction de robinet et permettant de faire des mesures de pression à des instants mieux déterminés. On voit que, même en partant d’une pression primaire de 22 mm, on

obtient un degré de vide non mesurable à la jauge avec certitude (0,02 ~) en cinq ou sept

minutes sur le volume de 900 cm3 et en une dizaine de minutes sur le volume de 6 500 cm3,

avec une pression primaire de 1 i mm (il n’a pas été fait de mesure sur 22 mm).

De ces courbes, on peut déduire la vitesse apparente de la pompe ~2 (formule 4). La

mesure des longueurs et des diamètres des différents tronçons de la canalisation permet de

calculer son débit Ul (formule 2). La relation 3 donne alors’le débit propre due la pompe Si.

Les inflexions des courbes relatives au volume de 6 500 cm3 sont peu accentuées entre 100 p,

et le voisinage du yvide limite (d’après la jauge). La vitesse est donc à ’peu près constante

dans cet intervalle; et elle change peu quand la pression primaire passe de 3 mm à 15 mm,

puisque les deux courbes sont parallèles. Dans cet intervalle, la vitesse apparente de la

pompe est de 130 cm3 : s ; celle de la canalisation est de 200 cm3 : s ; la vitesse propre de la pompe est alors de 3 i0 cm3 : s.

Cette vitesse paraîtra faible en comparaison des vitesses indiquées par divers construc-

" teurs. Mais, avec la canalisation employée, qui était aussi courte et aussi grosse qu’il nous

avait été possible de la faire, sans nous astreindre à trop de gêne, pour y loger une vanne à

mercure, une jauge de McLeod et un ballon de six litres, la vitesse apparente serait passée

de i30 cm3 : s à 190 cm3 : s seulement si l’on avait décuplé la vitesse de la pompe à conden- sation (voir § ~), ..

Note additionnelle.

-

Nous croyons utile de rappeler qu’il est extrêmement facile d’éliminer la vapeur de mercure, dont la présence est connexe de l’emploi des pompes à condensation. On peut interposer entre la pompe et la canalisation un piège à air liquide et même, à la rigueur, un piège à nelge carbonique. Mais on obtient des résultats au moins

équivalents à ceux que donne l’air liquide et d’une manière incomparablement plus com-

mode en tapissant un tronçon de canalisation, au voisinage de la pompe, par distillation dans le vide, d’un peu de sodium ou de potassium. Hughes et Poindexter ont en effet montré 1’ )

que ces métaux possédaient une extraordinaire capacité d’absorption pour la vapeur de

mercure. Elle n’est décelable dans la partie de l’enceinte séparée par le tronçon de l’endroit où se forme cette vapeur, soit spectroscopiquement, soit par la jauge à ionisation, qu’après plusieurs semaines, quand le métal alcalin a absorbé 150 p. 100 de son propre poids. Il suffit

de renouveler de temps à autre la surface du métal alcalin en le redistillant quand de

nombreuses rentrées d’air l’ont trop oxydé.

Ce travail a été effectué, d’accord avec les Etablissements Gaiffe, Gallot et Pilon, au

laboratoire de la Société de Recherches et de Perfectionnements industriels. De nombreuses

mesures ont été faites par M. Borias, auquel je tiens à adresser ici tous mes remerciements.

~

manuscrit reçu le 3 mars 1926.

z

(1) HUGHBS et POINDBXTER, Phil. ~7~., t. 50 (1925), p. 423-439.

Références

Documents relatifs

La gamme variée de pompes offre des pompes haute pression adaptées à presque toutes les applications haute pression, en particulier dans le domaine de la technologie des jets

[r]

[r]

> Électropompes centriguges auto-amorçantes, corps et rouet en bronze, arbre inox 316 Pompes 2 étages haute pression pour lutter contre l'incendie.. > Hauteur

(1) Sur le plan théorique, et seulement dans le cas particulier des Francis et centrifuges, le champ centrifuge dans la roue s'oppose à l'écou- lement dans les turbines et le

• Pour les liquides dans la plage de température allant jusqu'à +50 °C - brièvement jusqu'à 60 °C, avec des valeurs de PH entre 4 et 10. • Pour les longues opérations

Ce phénomène se produit à l’orifice d’aspiration de la pompe ; des bulles apparaissent dans les zones où la pression est la plus faible (entrée des aubes de roue des

Cette gamme de pompes à membrane Fisherbrand est résistante aux produits chimiques, idéale pour les applications impliquant des solvants agressifs et des vapeurs acides.. Ces