Comment fonctionne une pompe à vide Roots ?

Si vous travaillez dans des secteurs comme la fabrication de semi-conducteurs, le revêtement sous vide ou la production chimique à grande échelle, vous avez probablement déjà rencontré des pompes à vide Roots, souvent appelées « soufflantes Roots » ou « surpresseurs de vide ». Ces pompes sont indispensables pour déplacer rapidement de gros volumes de gaz sous vide moyen. Mais attention : elles ne peuvent pas fonctionner seules. Voyons comment ces pompes fonctionnent et pourquoi elles sont presque toujours utilisées en association avec d'autres systèmes.

Concept de base : Déplacement positif sans compression interne

Contrairement aux pompes qui compriment le gaz en interne avant de l'évacuer, une pompe Roots fonctionne selon un principe différent. Il s'agit d'une pompe volumétrique rotative qui transporte le gaz au lieu de le comprimer en interne. On peut la comparer moins à un compresseur qu'à un système de déplacement de gaz à grande vitesse qui crée un vide grâce à la connexion de l'entrée à une chambre et de l'échappement à une pompe auxiliaire.

Composants clés

Rotors en forme de huit : Deux rotors de forme symétrique — généralement à deux ou trois lobes — dont la section transversale ressemble à un huit. Ils sont montés sur des arbres parallèles et tournent en sens inverse.

Engrenages de distribution : Situés à l'extérieur de la chambre de pompage, ces engrenages de précision synchronisent les rotors afin qu'ils maintiennent un alignement de phase exact sans jamais se toucher.

Logement (Stator) : Le carter qui renferme les rotors avec des jeux extrêmement réduits, généralement de quelques dixièmes de millimètre seulement.

Orifices d'entrée et de sortie : le gaz entre ici et sort ici, sans vannes dans la chambre de pompage.

Étape par étape : Le cycle de fonctionnement

Voici la séquence mécanique lorsque les rotors tournent à des vitesses comprises entre 1 500 et 3 000 tr/min.

Phase 1 : Aspiration (Entrée du gaz)

Lorsque les rotors tournent en sens inverse, les lobes côté admission se désengrènent. Ceci crée un volume en expansion entre les flancs des rotors et la paroi du carter. Ce volume en expansion diminue la pression, aspirant ainsi le gaz de la chambre de traitement. En l'absence de vannes, ce processus est continu et régulier.

Phase 2 : Piégeage (Isolation du gaz)

Une fois que les extrémités des rotors dépassent le bord de l'orifice d'admission, une petite poche de gaz est emprisonnée entre deux rotors et les parois du carter. Les rotors eux-mêmes ne se touchent jamais ; l'étanchéité repose sur des jeux microscopiques de l'ordre du micron. C'est pourquoi les pompes Roots peuvent fonctionner à haute vitesse sans usure interne : aucun contact métal sur métal dans la chambre de pompage.

Phase 3 : Transport (Déplacement du gaz)

C'est là que ça devient intéressant. Contrairement aux pompes à piston qui refoulent le gaz, la pompe Roots transporte simplement le gaz emprisonné le long du périmètre du corps de pompe, de l'entrée à la sortie. Les rotors agissent comme des tapis roulants pour les particules de gaz.

Phase 4 : Décharge (Échappement)

Lorsque les lobes rotatifs ouvrent le volume emprisonné vers l'orifice d'échappement, un phénomène important se produit : le gaz à haute pression provenant de la conduite d'alimentation reflue dans la chambre de la pompe. Ce reflux comprime le gaz emprisonné quasi instantanément. Les lobes rotatifs refoulent ensuite le gaz désormais comprimé vers la pompe d'alimentation.

Concept essentiel : absence de compression interne

Ce phénomène de reflux est la caractéristique principale des pompes Roots. Comme elles ne présentent pas de compression interne (le volume emprisonné ne se réduit pas lors du déplacement), le gaz quitte la chambre à une pression sensiblement identique à celle à laquelle il est entré. La compression proprement dite s'effectue de l'extérieur, de deux manières :

Par reflux : Dès que la pompe s'ouvre pour refouler, les gaz à haute pression provenant de l'échappement se précipitent dans sa chambre, comprimant ainsi les gaz emprisonnés.

Par la pompe de support : La pompe en aval comprime en fait le gaz à l'atmosphère.

C'est pourquoi les pompes Roots nécessitent toujours une pompe auxiliaire (à vis, à ergots ou à anneau liquide). Elles ne peuvent pas refouler directement dans l'atmosphère : la différence de pression serait trop importante et provoquerait une surchauffe et un grippage.

Gestion thermique : le problème de la dilatation du rotor

Voici le véritable défi technique posé par les pompes Roots : en fonctionnement, les rotors chauffent énormément. Et comme ils tournent dans un environnement sous vide, leur refroidissement est plus complexe que celui du carter.

Le problème : Si, sous l'effet de la chaleur, les rotors se dilatent davantage que le carter, ils se grippent. Ceci limite la différence de pression maximale que la pompe peut supporter — généralement de 50 à 130 mbar pour les modèles standard.

Les solutions :

1. Soupapes de décharge (de dérivation) : La plupart des pompes Roots sont équipées de soupapes intégrées qui s’ouvrent lorsque la différence de pression dépasse les seuils de sécurité. Ces soupapes recyclent une partie des gaz d’échappement vers l’entrée, limitant ainsi la différence de pression et prévenant la surchauffe. Ce dispositif ingénieux permet de démarrer la pompe Roots simultanément à la pompe auxiliaire, accélérant considérablement l’évacuation de la pression atmosphérique.

2. Conception à refroidissement par gaz : Pour les applications nécessitant une compression contre l’atmosphère, certaines pompes Roots utilisent un refroidissement par gaz. Elles prélèvent du gaz refroidi à l’échappement (après passage dans un refroidisseur externe) et le réinjectent dans la chambre de compression. Ce flux de gaz artificiel évacue la chaleur, permettant ainsi des différentiels de pression plus élevés.

Taux de compression et performances

Les pompes Roots n'atteignent pas des taux de compression aussi élevés que d'autres types de pompes. Les taux de compression à vide typiques (K₀) varient de 5 à 70, selon la pression. Voici pourquoi :

À haute pression (écoulement laminaire) : Du gaz s'échappe par les interstices du carter du rotor. Plus la pression est élevée, plus la fuite est importante.

À basse pression (écoulement moléculaire) : Les molécules de gaz adsorbées sur les surfaces du rotor du côté échappement se désorbent lorsque ces surfaces tournent du côté entrée, pompant ainsi le gaz vers l'arrière.

Cela signifie que les pompes Roots sont plus efficaces dans la plage de 1 à 10 hPa, où les taux de compression sont optimaux. En dessous de 10⁻⁴ hPa, elles sont inutilisables car le gaz adsorbé sature le débit pompé.

Pourquoi utiliser une pompe à racines ?

Malgré ces limitations, les pompes Roots sont indispensables pour :

Vitesses de pompage élevées : Ils déplacent d'énormes volumes de gaz dans la gamme du vide grossier à moyen (pression atmosphérique jusqu'à environ 10⁻³ hPa).

Fonctionnement propre et sec : L'absence d'huile ou de fluide d'étanchéité dans la chambre de pompage garantit l'absence de contamination de votre processus.

Tolérance aux particules : Sa conception sans contact permet une meilleure gestion de la poussière et des particules que les pompes à faible dégagement.

Systèmes combinés : Associées à la pompe de support appropriée (à vis pour une utilisation générale, à vis pour les applications à sec, à anneau liquide pour les procédés sales ou humides), elles forment des stations de pompage polyvalentes.

Configurations système courantes

Vous trouverez généralement les pompes Roots dans les combinaisons suivantes :

Racines + Vis : La configuration la plus courante pour les applications de vide générales jusqu'à 10⁻² hPa.

Racines + Anneau liquide : Idéal pour les procédés humides et salissants ou lors de la manipulation de vapeurs susceptibles de contaminer l'huile.

Racines + Vis : Systèmes entièrement secs pour applications propres, agressives ou de haute pureté.

Racines à plusieurs étapes : Plusieurs pompes Roots en série peuvent atteindre un vide moyen sans avoir besoin d'autres types de pompes.

Résumé

Une pompe à vide Roots est une pompe rotative volumétrique sans contact qui utilise des rotors synchronisés en forme de huit pour piéger et transporter le gaz de l'entrée à la sortie. Elle ne réalise pas de compression interne ; la compression s'effectue par reflux et à l'aide d'une pompe auxiliaire externe. Sa capacité à déplacer d'importants volumes de gaz de manière propre et silencieuse en fait la pompe de surpression de choix pour les applications de vide moyen, mais elle doit toujours être associée à une pompe auxiliaire assurant la compression finale à la pression atmosphérique.

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