Pompes à vide turbomoléculaires

Les pompes turbomoléculaires à lévitation magnétique utilisent un système de palier magnétique à 5 axes pour maintenir le rotor en suspension constante sans contact physique entre le rotor et le carter de pompe. Également connue sous le nom de palier magnétique actif, cette technique tire parti des avantages de l’électromagnétisme : elle utilise les forces des électroaimants combinées à des capteurs de distance pour stabiliser et mettre le rotor en mouvement. Un système de commande électronique numérique ajuste le champ électromagnétique à travers les aimants présents en temps réel afin de maintenir le rotor centré et équilibré. Cette stabilisation active compense les déséquilibres et minimise les vibrations.

Comme le rotor n'entre jamais en contact avec le carter de pompe, il n'y a pas de friction mécanique, ce qui élimine le besoin de lubrification et garantit un fonctionnement sans huile à l’intérieur de la pompe. Les pompes turbomoléculaires à lévitation magnétique sont idéales pour les applications de vide poussé et d'ultravide dans la fabrication de semi-conducteurs, le revêtement fin, ainsi que la recherche et le développement.

Cette technologie avancée de palier magnétique offre plusieurs avantages clés.

Les pompes turbomoléculaires à paliers hybrides combinent deux concepts de roulements dans une seule pompe. Côté vide primaire, le rotor est protégé des vibrations externes par un roulement à billes en céramique. Ce type de roulement se retrouve également dans les pompes turbomoléculaires mécaniques comme la HiPace 10 Neo, ce qui en fait une option robuste pour des tâches telles que les expériences de vide mobiles.

Côté vide poussé, un palier magnétique permanent maintient le rotor suspendu sans contact avec le carter de pompe, comme dans les pompes turbomoléculaires à suspension magnétique. Cette combinaison offre une disposition robuste des roulements du rotor pour les vitesses de rotation extrêmes de la génération d’ultravide jusqu’à 10^-11 hPa (mbar). Bien que le roulement à billes soit lubrifié au minimum, la pompe génère un vide sans huile, car le roulement à billes est situé du côté vide primaire et est donc isolé du côté vide poussé de la pompe. Grâce à cette caractéristique de conception et au taux de compression du rotor turbo, la contamination par l’huile dans la chambre sous vide est évitée. Les pompes turbomoléculaires à paliers hybrides constituent une solution fiable pour un large éventail de procédés, y compris les applications analytiques, la recherche et le développement ainsi que la simulation spatiale.

La technologie des pompes turbomoléculaires à paliers hybrides offre de nombreux avantages :

Les pompes turbomoléculaires appartiennent au groupe des pompes à vide cinétiques. Elles déplacent le mélange pompé en accélérant les molécules dans le sens du pompage. La pompe à vide turbomoléculaire a été conçue pour réaliser ce qui était auparavant considéré comme presque impossible : obtenir un vide d'une pureté inégalée qui ouvrirait de nouvelles perspectives dans les domaines de la science et de la technologie. En 1958, le Dr Willi Becker, scientifique chez Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions, a inventé la toute première pompe turbomoléculaire. Grâce à leur technologie révolutionnaire, ces pompes à vide peuvent atteindre des niveaux de vide poussé, d'ultra-vide et même de vide poussé extrême jusqu’à 10^-11 hPa (mbar).

Aujourd’hui, les pompes turbomoléculaires sont utilisées pour explorer les frontières du connaissance, de la simulation du vide spatial pour la recherche astrophysique aux tests de performances des matériaux dans des environnements extrêmes. Dans la fabrication de semi-conducteurs, ces pompes à vide spécialisées maintiennent les environnements ultra-propres et contrôlés nécessaires à la production de micro-puces. Les applications des pompes turbomoléculaires dans divers secteurs sont pratiquement infinies.

Pour l'essentiel, une pompe à vide turbomoléculaire fonctionne sur le principe du transfert d’énergie cinétique. La conception est similaire à celle d’une turbine : un rotor à plusieurs étages muni de disques tourne dans un carter. Des disques de stator à palettes inversées sont intercalés entre les disques du rotor, créant une série d’étages qui compriment et transportent les molécules de gaz. Les rotors des pompes turbomoléculaires tournent à des vitesses allant jusqu’à 90 000 tours par minute (tr/min). C’est bien plus que les moteurs d’un jet jumbo, qui ne tournent qu’à 30 000 tr/min maximum.

Les pompes turbomoléculaires nécessitent une pompe primaire pour fonctionner efficacement. Bien que la pompe turbomoléculaire soit responsable de la génération de niveaux de vide poussé et d'ultravide, elle ne peut pas évacuer les gaz de refoulement directement à la pression atmosphérique. Au lieu de cela, elle s’appuie sur une pompe primaire pour maintenir une pression suffisamment basse au refoulement, garantissant un fonctionnement stable et efficace.

La génération de vide des pompes turbomoléculaires expliquée en trois étapes

Les pompes turbomoléculaires modernes peuvent atteindre des vitesses allant jusqu’à 90 000 tr/min. L'énergie cinétique est donc proportionnellement élevée, ce qui entraîne des forces extrêmes agissant sur le carter de pompe et l'ancrage en quelques fractions de seconde en cas de dysfonctionnement. Pour garantir la sécurité de vos procédés et de vos équipements, Pfeiffer a collaboré avec TÜV Rheinland pour développer une certification de sécurité qui inclut une double protection contre la vitesse de rotation excessive afin d’éviter les défaillances mécaniques.

De plus, dans le cadre de la certification, le carter extérieur des pompes turbomoléculaires est soumis à des tests de résistance à l’énergie cinétique du rotor. Les pompes turbomoléculaires Pfeiffer sont également certifiées conformes aux normes UL 61 010 et Semi S2, ce qui garantit que l’équipement répond aux exigences strictes en matière de sécurité et de performances dans les environnements de laboratoire et industriels, ainsi que dans les fabrication de semi-conducteurs.

Les pompes à vide turbomoléculaires de Pfeiffer sont disponibles en version à paliers hybrides et mécaniques ainsi qu’en version à suspension magnétique, offrant plusieurs avantages :

Le palier hybride a été inventé il y a plus de 40 ans par Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions. Il se compose d’un palier magnétique permanent et d’un roulement à billes en céramique.

Côté vide poussé de la pompe, un palier magnétique suspend le rotor sans contact physique, minimisant la friction et éliminant l’usure. Sur les roulements à billes en céramique côté vide primaire, le rotor est stabilisé dans les directions radiale et axiale, ce qui le rend résistant aux chocs violents tels que les dépressions atmosphériques et les vibrations externes. Bien que le roulement à billes soit lubrifié au minimum, la pompe génère un vide sans huile, car le roulement à billes est situé du côté vide primaire et est donc isolé du côté vide poussé de la pompe. Grâce à cette caractéristique de conception et au taux de compression du rotor turbo, la contamination par l’huile dans la chambre sous vide est évitée. Le lubrifiant qui circule absorbe également la chaleur générée par les roulements à billes pendant le fonctionnement.

Les pompes turbomoléculaires à paliers hybrides conviennent à un large éventail de procédés, y compris les applications analytiques, la recherche et le développement ainsi que la simulation spatiale.

Les pompes turbomoléculaires à lévitation magnétique utilisent un système de palier magnétique à 5 axes pour maintenir le rotor en suspension constante sans contact physique entre le rotor et le carter de pompe. Cette technique de roulement palier magnétique a des avantages de l’électromagnétisme : elle utilise les forces des électroaimants combinées à des capteurs de distance pour stabiliser et mettre en mouvement le rotor. Les roulements électromagnétiques sont également appelés « paliers magnétiques actifs », car la position du rotor fait l’objet d’une surveillance et d’un réglage continus. Cela garantit un fonctionnement sans usure et à faibles vibrations en compensant automatiquement les déséquilibres. Un fonctionnement sans maintenance et sans lubrifiant est ainsi assuré pendant tout le cycle de service.

Les paliers magnétiques sont donc particulièrement adaptés aux applications nécessitant une faible usure, des conditions propres et sèches ainsi que des vitesses de pompage élevées, telles que la génération de vide poussé et d’ultravide pour la fabrication de semi-conducteurs, le revêtement, la recherche et le développement.

Le rotor d’une pompe turbomoléculaire effectue jusqu’à 90 000 tours par minute. À ces vitesses, le moindre déséquilibre peut avoir un impact majeur sur le fonctionnement et la sécurité de la pompe. Un équilibrage précis du rotor est donc important pour assurer un fonctionnement régulier et garantir des années d'utilisation sans dommage et en toute sécurité de la pompe turbomoléculaire.

À cet effet, Pfeiffer a développé et breveté l'équilibrage laser, une technologie qui permet un équilibrage très précis du rotor. Contrairement aux méthodes conventionnelles qui nécessitent l’ajout de poids ou le perçage de trous, l’équilibrage laser utilise l’ablation laser pour enlever du matériau de zones spécifiques du rotor.

Ce procédé est réalisé pendant la production dans un système d’équilibrage automatisé, ce qui améliore à la fois la précision et la répétabilité. L’équilibrage laser améliore la qualité d’équilibrage des rotors des pompes turbomoléculaires de 20 % par rapport aux méthodes traditionnelles. Cela permet de réduire les niveaux de vibrations et de bruit et d’améliorer les performances globales de la pompe. Ces avantages sont particulièrement précieux dans les applications sensibles aux vibrations, telles que la microscopie électronique.

Les pompes turbomoléculaires à paliers hybrides combinent un roulement à billes et un palier magnétique. Grâce au fonctionnement sans contact du palier magnétique permanent, les pompes turbomoléculaires à palier hybride nécessitent une maintenance minimale. Cette technologie de roulement garantit que le rotor est maintenu en suspension sans contact physique d’un côté de la pompe, ce qui minimise la friction et l’usure. Cependant, dans chaque pompe à vide, certains composants sont soumis à des contraintes mécaniques élevées. Dans les pompes à vide turbomoléculaires à paliers hybrides, les fluides de fonctionnement et les roulements à billes doivent être remplacés tous les quatre à cinq ans, en fonction de la conception et des dimensions de la pompe. Ces travaux de maintenance évitent les conséquences d’une usure et de pannes très avancées ou de dommages irréparables à la pompe.

Pour en savoir plus sur notre offre de services pour les pompes turbomoléculaires, consultez notre page de service.

Pfeiffer est reconnu comme l’un des principaux fabricants de pompes à vide turbomoléculaires en raison de plusieurs facteurs clés :

1. Innovation pionnière : Pfeiffer a inventé et breveté la première pompe à vide turbomoléculaire en 1958.

2. Gamme complète de produits : Pfeiffer propose une gamme complète de pompes à vide turbomoléculaires, y compris des pompes turbomoléculaires à paliers hybrides et à suspension mécanique. Cette gamme complète garantit la disponibilité d’une solution adaptée à diverses applications et industries.

3. Ingénierie de haute qualité : réputé pour son excellence technique, Pfeiffer s’assure que tous ses produits répondent aux normes les plus élevées en matière de qualité et de fiabilité. Nos pompes turbomoléculaires sont conçues pour gérer efficacement les vitesses élevées et l’énergie cinétique, garantissant ainsi d’excellentes performances et une grande longévité.

4. Approche centrée sur le client : Pfeiffer s’engage à fournir un service et un support client exceptionnels. Nous proposons une formation complète pour les opérateurs et des services relatifs aux produits avec une maintenance adaptée à la technologie des pompes turbomoléculaires pour garantir que nos clients reçoivent les meilleures solutions de vide et le meilleur support possible.

Une pompe primaire, également appelée pompe de prévidage, est un type spécial de pompe à vide utilisée en combinaison avec une pompe à vide poussé, telle qu’une pompe à vide turbomoléculaire. Elle réduit la pression dans un système afin qu’une pompe à vide poussé puisse fonctionner et elle peut être considérée comme une « aide au démarrage » pour la pompe principale.

Une pompe primaire est le premier étage d’un système de vide. Elle est chargée d’évacuer le système et la chambre sous vide de la pression atmosphérique à un niveau suffisamment bas pour permettre à la pompe à vide poussé de fonctionner efficacement.

Il est important que la pompe primaire ait une vitesse de pompage suffisante pour répondre aux exigences de la pompe à vide poussé. Les pompes primaires les plus courantes sont par exemple les pompes à vide à palettes rotatives, à membrane ou à spirale. En option, des boosters de vide peuvent être intégrés au système de vide primaire si une vitesse de pompage plus élevée est requise.

Pourquoi les pompes turbomoléculaires ont-elles besoin d’une pompe primaire ?
Les pompes à vide turbomoléculaires appartiennent à la catégorie des pompes à vide cinétiques qui déplacent les molécules de gaz de l’admission vers le refoulement par transfert d’impulsion. Il s’agit de dispositifs hautes performances qui génèrent des pressions extrêmement basses, c’est-à-dire un vide poussé ou même un ultravide. Pour éviter le reflux des gaz transférés depuis le refoulement de la pompe turbomoléculaire dans la chambre sous vide, ils ont besoin d’une pompe primaire pour les aider à décharger les molécules par la conduite de vide primaire.

La pompe primaire et la pompe turbomoléculaire sont généralement démarrées simultanément et évacuent ensemble le système de vide. Lorsque la pompe turbomoléculaire est installée directement sur la chambre sous vide (voir figure), la pompe primaire évacue le système via la pompe turbomoléculaire.

Une fois qu’une pression de refoulement spécifique est atteinte, la pompe turbomoléculaire commence à fonctionner à pleine vitesse, générant un vide poussé ou de l'ultravide. Même alors, la pompe primaire continue de fonctionner et élimine les molécules de gaz pompées par la pompe à vide poussé. Cela garantit que la pompe turbomoléculaire peut maintenir sa pression de travail et ne surchauffe pas.

La pompe primaire effectue simultanément plusieurs tâches importantes :