Le Cryopompage - French National Centre for Scientific ...

3èmes rencontres nationales

du réseau des technologies du vide

Les systèmes de pompage

Le Cryopompage

J.P. THERMEAU

Institut de Physique Nucléaire d’Orsay

CNRS/IN2P3/Université de Paris-Sud

[email protected]

Plan

• Processus mis en jeu

• Conception des Cryompompes

• Bilan énergétique - cryogénérateur

• Pompes commerciales

2 Les systèmes de pompage - Le cryopompage - Octobre 2016

Cryopompage : quelques avantages

• Pompage « propre » : pas de risque de pollution par

rétrodiffusion d’hydrocarbures.

• Obtention de vitesses de pompage élevées :

- Grande vitesse de pompage limitée par les

conductances si la pompe est externe,

- Très grande vitesse de pompage si la pompe est

insérée dans l’équipement,

• Pompage avec confinement et régénération de gaz

toxiques ITER.

Les systèmes de pompage - Le cryopompage - Octobre 2016 3

Cryopompage : Les inconvénients

• Pompage Cryogénique : nécessite la production de

basse température coût énergétique.

• Pompage par piégeage : nécessite la régénération

périodique des surfaces de pompage.

• Pompage malaisé des gaz légers (H2, He).


L’inhibition de la désorption

2 effets prépondérants :

- Inhibition de la désorption

- Cryopompage

)RT

Eexp(CNn d

Le cryopompage

3 actions :

- La condensation

- Le cryopiégeage

- La cryosorption

L’effet des basses températures


C :constante de forme de surface,

N : nombre total de molécules présentes sur la

surface,

Ed : Energie de désorption.

Solide Liquide

Gaz pression

température

Point critique C

Point triple J

pC

TC TJ

pJ

patm

Teb

A

Diagramme de phase (p,T)

Vapeur


Cryopompage - Condensation


Températures typiques de fonctionnement : Liquide bouillant à pression

atmosphérique Azote (77K), Hydrogène (20,3K) et Hélium (4,2K) ou à

des températures intermédiaires au moyen de Cryo-réfrigérateurs.

Vide limite déterminé par la tension de vapeur du gaz considéré à la

température Ts de la cryosurface sur laquelle il se condense.



En ultravide (P<10-6 Pa) l’hydrogène et l’hélium ne peuvent être

pompés par condensation et nécessitent la cryosorption.

4 K


Pression limite

nombre de molécules tombant sur la surface = nombre de molécules

quittant la surface


AVn4

1M

Nombre de molécules heurtant une surface A

n : concentration de matière

V : vitesse moyenne des molécules de gaz

T

pn

TV

AT

pAT

T

pM

ss

T

Tpp ss p7.8

2.4

300pp

En général, on considère que p = 30 à 100 ps garantie une vitesse de

pompage nominale



• La condensation s’effectuant a une température généralement

inférieure au point triple, le gaz s’accumule sous forme de givre.

• En pratique on choisit une température de condensation donnant une

tension de vapeur inférieure de deux ordres de grandeur à la pression

limite désirée.

• Pour les cryopompes fonctionnant en continu, à des pressions

inferieures à10-3 Pa pendant moins d’une semaine, l’épaisseur du dépôt

est très faible.

• Pour les pressions plus élevées, c’est la température de surface du

dépôt qui va déterminer la tension de vapeur. Le gradient thermique

dans le dépôt est alors un facteur déterminant du temps d’utilisation de

la cryopompe avant régénération


Cryopompage - Adsorption

• Le phénomène d’adsorption résulte des interactions gaz/surface de

type physisorption ou chimisorption.

• La quantité de gaz fixée sur la surface peut aller d’une fraction à

plusieurs monocouches de gaz suivant la nature du couple gaz/surface,

la température de la surface et la pression du gaz.

• Pour pomper des quantités importantes, on doit utiliser des matériaux

ayant de grandes surfaces spécifiques :

charbon actif (1000 à1200 m2/g) ou tamis moléculaires (500 à 800 m2/g).

• Les capacités à saturation peuvent atteindre 100 à 300 cm3 TPN de

gaz par gramme d’adsorbant. En règle générale, la température de

l’adsorbant doit être de l’ordre de la température d’ébullition normale du

gaz que l’on veut pomper.



• L’adsorption peut se faire sur des givres (dépôts poreux) de gaz (tels

que le CO2 ou l’Argon) prédéposés (cryosorption) ou injectés en continu

(cryotrapping).

• Le paramètre dimensionnant est le ratio des nombres de molécules des

deux gaz (adsorbant/adsorbé) considérés.

• Les adsorbants doivent être soigneusement régénérés par chauffage,

de préférence sous vide, pour donner leur pleine capacité d’adsorption.

• Les adsorbants sont de mauvais conducteurs de la chaleur: leur

thermalisation est donc difficile.

5

,

10

2

2 HHe

OH

n

n1

He

Ar

n

n

Le cryosorption sur gaz condensés : adsorption




Caractéristiques physiques de quelques adsorbants

Adsorbant minéral


Adsorption sur charbon actif

Gaz : N2


Cryosorption sur solides poreux : adsorption



Cryopompage – vitesse de pompage

Le débit volumétrique des cryopompes « vitesse de pompage »

dépend du régime d’écoulement considéré.

• En régime moléculaire, la théorie cinétique des gaz s’applique.

Le débit théorique maximum SM (m3.s-1/m2) vaut:

avec: R = 8,314 J.mol-1.K-1,

T : température du gaz (K),

M: masse molaire du gaz (kg/mol)

soit pour les principaux gaz à 20°C (293K):

M2

RTSM

Gaz H2O Ar N2, CO H2 He

SM (m3.s-1/m2) 147 94 118 440 311


Cryopompage – vitesse de pompage

• La « vitesse de pompage » théorique Sth (m3.s-1/m2) de la

cryosurface est déterminée par le coefficient de capture du gaz au

premier choc sur la surface (c) et le degré de sursaturation du gaz à

pomper (P/PS),

avec PS = tension de vapeur du gaz à la température TS de la

cryosurface:

• Le coefficient de capture c est en général élevé (> 0,95) en

condensation, par contre, il peut être inférieur à 0,5 en adsorption.

• Lorsque la cryopompe quitte le régime moléculaire pour entrer dans

les régimes intermédiaire puis visqueux, la vitesse de pompage

augmente jusqu’à une valeur limite dépendant de divers facteurs dont la

puissance de réfrigération et le coefficient d’échange sur la cryosurface.

S

Sth

T

T

P

P1

M2

RTAcS


Cryopompage – Architecture d’une pompe

• En général, une cryopompe comprend une cryosurface très froide

(entre 4K et 20K), protégée du rayonnement thermique ambiant

par des écrans et un « baffle » refroidis entre 50K et 80K.

• Le baffle a pour fonction de laisser passer le mieux possible les

molécules de gaz (coefficient de transmission c) et le moins possible

le rayonnement thermique (coefficient de transmission tp).

Différentes configurations de cryopompe


Cryopompe


Conductance à travers le baffle Transmission du rayonnement à travers le baffle


Cryopompage – Architecture d’une pompe

• Les architectures les plus courantes

• Les écrans et le baffle condensent vapeur d’eau et autres gaz

condensables à 50-80K (solvants, hydrocarbures,..). La surface plus

froide assure le cryopompage des composants de l’air et en général

comporte une partie adsorbante, protégée de la condensation directe,

pour le pompage de l’hydrogène et de l’helium.


Structure d’une cryopompe




Cryo-panneaux couverts d’adsorbant ( charbon actif)



2ème étage (10 K) avec charge

d’adsorbants

1er étage (80 K) avec baffle lover


2ème étage (10 K)


Modes de réfrigération d’une cryopompe

convection naturelle

convection forcée - Par conduction solide (cryogénérateur)

- Par circulation de cryofluide



Refroidissement d’une pompe

cryogénique par l’intermédiaire de

caloducs reliés à un cryogénérateur

Avantages :

- Permet de pomper à l’intérieur

même du système,

- Pas de limitation de vitesse de

pompage liée à la conductance des

ports de pompage

Inconvénients :

- Système complexe et onéreux,

- La régénération de la pompe n’est

pas aisée.

Bilan d’énergie sur une pompe cryogénique

Inventaire des flux de chaleur :

– Radiatif (écran 80 K; baffle 80 K, 20 K ou 4 K),

– Conduction solide (support écran, support 4 K),

– Condensation,

– Cryosorption,

– Conduction gazeuse si p > 10-3 mbar,

Pompe à deux étages (80K et 10 K) :

– Radiatif (écran 80 K; baffle 80 K, surface 4 K),

– Conduction solide (support écran, support 4 K),

– Condensation à p = 10-5mbar,

– Cryosorption et conduction gazeuse négligées,

Pompe en configuration f :

– Baffle Louvre : conductance = 0.5,

– Transmission Baffle = 0.01


Cryopompe avec cryogénérateur

Baffle 80 K noirci

- émissivité : 0.9

Pertes par rayonnement du baffle

P baffle = 5.78 x 10-8 x 0.2 x (3004 - 804)

P baffle = 91 W/m²

Pertes par rayonnement :

Enceinte à vide

- température : 300 K


41

421 TTAEQ

122

21

1E

2.0

2.09.019.0

9.02.0E



Ecran 80 K


Pertes par rayonnement de l’écran

P écran = 5.78 x 10-8 x 0.06 x (3004 - 804)

P écran = 28 W/m²

Pertes par rayonnement :

Enceinte à vide

- température : 300 K


41

421 TTAEQ

122

21

1E

06.0

08.02.012.0

08.02.0E



Surface à 4 K

- surface de pompage

- surface extérieure


(condensation)

Pertes par rayonnement dues à l’écran

P 4K = 5.78 x 10-8 x 0.06 x (804 - 44)

P écran - 4K = 0.15 W/m²

Ecran 80 K


06.0

08.02.012.0

08.02.0E

Pertes par rayonnement à travers le baffle

P = 5.78 x 10-8 x 0.11 x (3004 - 44)

P transmise baffle = 0.01 x 52 = 0.52 W/m²

11.0

2.02.012.0

2.02.0E

Pertes par rayonnement dues au baffle

P 4K = 5.78 x 10-8 x 0.2 x (804 - 44)

P baffle - 4K = 0.45 W/m²

2.0

2.09.019.0

9.02.0E


Bilan d’énergie de la cryopompe

• Ecran 80 K :

• Flux radiatif = 28 W/m²,

• Baffle 80 K noirci :

• Flux radiatif = 91 W/m²

• Etage 4 K : 1.1 W/m²

• Flux radiatif à travers le baffle (300 K – 4K) = 0.52 W/m²,

• Flux radiatif du baffle vers la surface 4 K (300 K – 4K) = 0.45 W/m²,

• Flux radiatif entre l’écran et la surface 4 K (80K - 4K) = 0.15 W/m²

• Condensation N2 sur étage 4K :

Pompe de (59 m3/s)/m² de N2 (118 m3/s avec une conductance de 0.5)

• Flux de condensation N2 : 0.27 W/m² (p = 10-5,mbar)


Bilan d’énergie sur une cryopompe

Bilan d’énergie de la cryopompe

Puissance consommée par le cryogénérateur

7 kW électrique


Cryopompage - Cryogénérateur

Cryogénérateur étage 4.2 K : 1 W

70 W/W pour une machine de Carnot,

Si rendement du réfrigérateur est de 1.5% 4500 W/W

1 W à 4K nécessite 4500 W électrique

Cryogénérateur étage 43 K : 40 W

6 W/W pour une machine de Carnot,

Si rendement du réfrigérateur est de 10% 60 W/W

40 W à 43K nécessite 2400 W électrique



• Diamètre DN200 avec baffle louver c = 0.5

• Section de pompage 0.032 m²

Vitesse de pompage N2 59 m3/s x 0.032 1.8 m3/s

Vitesse de pompage Ar 47 m3/s x 0.032 1.5 m3/s


Date post:	18-Dec-2021
Category:	Documents
Upload:	others
View:	2 times
Download:	0 times

Le Cryopompage - French National Centre for Scientific ...

Documents