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Principes de base du vide
Pour un examen plus approfondi des systèmes de vide, lisez « Mettre le vide au travail », « Réduisez les économies dénergie des systèmes pneumatiques », » Manipulation de la conception sous vide »et« Conception à laide de ventouses et de ventouses ».
Lévacuation de lair dun volume fermé développe une différence de pression entre le volume et latmosphère environnante. Si ce volume fermé est lié par la surface dune ventouse et dune pièce, la pression atmosphérique pressera les deux objets ensemble. La quantité de force de maintien dépend de la surface partagée par les deux objets et du niveau de vide. Dans un système de vide industriel, une pompe à vide ou un générateur élimine lair dun système pour créer une différence de pression.
Parce que cest pratiquement impossible pour éliminer toutes les molécules dair dun récipient, un vide parfait ne peut pas être obtenu. Bien sûr, au fur et à mesure que lair est éliminé, la différence de pression augmente et la force de vide potentielle devient plus grande.
Le niveau de vide est déterminé par la différence de pression entre le volume évacué et latmosphère environnante. Plusieurs unités de mesure peuvent être utilisées. La plupart se réfèrent à la hauteur dune colonne de mercure – généralement des pouces de mercure (po-Hg) ou des millimètres de mercure (mm-Hg). Lunité métrique courante pour la mesure du vide est le millibar ou mbar. Dautres unités de pression parfois utilisées pour exprimer le vide comprennent les unités interdépendantes datmosphères, de torr et de microns. Une atmosphère standard équivaut à 14,7 psi (29,92 in.-Hg). Toute fraction dune atmosphère est un vide partiel et équivaut à une pression relative négative. Un torr est défini comme 1/760 dune atmosphère et peut également être considéré comme 1 mm-Hg, où 760 mm-Hg équivaut à 29,92 po-Hg. Encore plus petit est le micron, défini comme 0,001 torr. Cependant, ces unités sont le plus souvent utilisées pour traiter des aspirateurs presque parfaits, généralement dans des conditions de laboratoire, et rarement dans des applications hydrauliques.
La pression atmosphérique est mesurée avec un baromètre. Un baromètre est constitué dun tube vertical évacué avec son extrémité supérieure fermée et son extrémité inférieure reposant dans un récipient de mercure ouvert à latmosphère, Figure 1. La pression exercée par latmosphère agit sur la surface exposée du liquide pour forcer le mercure dans le tube. La pression atmosphérique au niveau de la mer supportera une colonne de mercure généralement pas plus de 29,92 pouces. haute. Ainsi, la norme de pression atmosphérique au niveau de la mer est de 29,92 po-Hg, ce qui se traduit par une pression absolue de 14,69 psia.
Les deux points de référence de base dans toutes ces mesures sont la pression atmosphérique standard et un parfait vide. À la pression atmosphérique, la valeur de 0 po-Hg équivaut à 14,7 psia. Au point de référence opposé, 0 psia, – un vide parfait (sil pouvait être atteint) – aurait une valeur égale à lautre extrême de sa plage, 29,92 po-Hg. Cependant, le calcul des forces de travail ou des changements de volume dans les systèmes de vide nécessite des conversions en pression manométrique négative (psig) ou en pression absolue (psia).
La valeur de zéro est attribuée à la pression atmosphérique sur les cadrans de la plupart des manomètres . Les mesures de vide doivent donc être inférieures à zéro. La pression relative négative est généralement définie comme la différence entre le vide dun système donné et la pression atmosphérique.
Mesure du vide
Plusieurs types de jauges mesurent le niveau de vide. Un manomètre de type tube de Bourdon est compact et le dispositif le plus largement utilisé pour surveiller le fonctionnement et les performances du système de vide. La mesure est basée sur la déformation dun tube de Bourdon élastique incurvé lorsque le vide est appliqué à lorifice de la jauge. Avec la liaison appropriée, les jauges à tube de Bourdon composées indiquent à la fois le vide et la pression positive.
Une contrepartie électronique à le vacuomètre est le transducteur. Le vide ou la pression fait dévier une membrane métallique élastique. Cette déflexion fait varier les caractéristiques électriques des circuits interconnectés pour produire un signal électronique qui représente le niveau de vide.
Un manomètre à tube en U, figure 2, indique la différence entre deux pressions. Dans sa forme la plus simple, un manomètre est un tube en U transparent à moitié rempli de mercure. Les deux extrémités du tube étant exposées à la pression atmosphérique, le le niveau de mercure dans chaque jambe est le même. Lapplication dun vide sur une jambe fait monter le mercure dans ce le g et tomber dans lautre. La différence de hauteur entre les deux niveaux indique le niveau de vide. Les manomètres peuvent mesurer le vide directement jusquà 29,25 po-Hg.
Un manomètre absolu indique la pression au-dessus dun vide théorique parfait.Il a la même forme en U que le manomètre, mais une jambe du manomètre absolu est scellée, Figure 3. Mercure remplit cette jambe scellée lorsque la jauge est au repos. Lapplication de vide sur la jambe non scellée abaisse le niveau de mercure dans la jambe scellée. Le niveau de vide est mesuré avec une échelle mobile placée avec son point zéro au niveau du mercure dans la jambe non scellée. Ainsi, cette jauge compense les changements de pression atmosphérique.
Systèmes de vide industriels
Les aspirateurs se répartissent en trois plages:
- rugueux (ou grossier), jusquà 28 po-Hg
- moyen (ou fin), jusquà un micron,
- haut, supérieur à un micron.
Presque tous les systèmes de vide industriels sont rugueux. En fait, la plupart des applications de levage et de maintien fonctionnent à des niveaux de vide de seulement 12 à 18 po Hg. En effet, il est généralement plus économique daugmenter la force de levage ou de maintien en augmentant la zone de contact entre la pièce à usiner et la ventouse que de tirer un vide plus élevé et dutiliser la même zone de contact.
Vide moyen est utilisé pour des applications de processus telles que la distillation moléculaire, la lyophilisation, le dégazage et les opérations de revêtement. Les aspirateurs poussés sont utilisés dans les instruments de laboratoire, tels que les microscopes électroniques, les spectromètres de masse et les accélérateurs de particules.
Un système de vide typique se compose dune source de vide, de conduites dalimentation, de raccords et de diverses vannes de commande, interrupteurs, filtres et dispositifs de protection. La prévention des fuites est particulièrement importante avec les systèmes de vide, car même de très petites fuites peuvent considérablement diminuer les performances et lefficacité. Si un tube en plastique est utilisé – comme cest souvent le cas – assurez-vous quil est conçu pour un service sous vide. Sinon, les parois du tube pourraient seffondrer sous le vide et bloquer lécoulement. De plus, les conduites de vide doivent être aussi courtes et étroites que possible pour limiter le volume dair à évacuer.
Une considération de conception importante pour les applications de maintien est dutiliser la pompe à vide uniquement pour atteindre le niveau de vide obligatoire. Une fois que la pièce est en contact avec la ventouse et que le vide requis est atteint, la mise hors tension dune vanne normalement fermée maintiendra le vide indéfiniment – à condition quaucune fuite ne se produise. Maintenir un vide de cette manière ne consomme aucune énergie et évite davoir à faire fonctionner la pompe à vide en continu.
Les entreprises proposent également des dispositifs propriétaires, tels que des ventouses avec vannes intégrées et des vannes qui terminent le débit dune ventouse qui présente fuite. Cette vanne est conçue pour éviter tout arrêt par fausse alarme lors de la tenue de pièces poreuses (comme du carton), tout en empêchant une fuite au niveau dune ventouse de réduire le vide au niveau dune ventouse adjacente.
Sélection de la pompe à vide
La première étape majeure dans la sélection de la bonne pompe à vide consiste à comparer les exigences de vide de lapplication avec les valeurs de vide maximales des pompes commerciales. Aux bas niveaux, il existe un large choix de pompes. Mais à mesure que le niveau de vide augmente, le choix se rétrécit, parfois au point où un seul type de pompe peut être disponible.
Pour calculer les besoins en vide dun système, considérez que tous les appareils de travail sont entraînés. Le vide des appareils peut être déterminé par des calculs basés sur des formules de manuel, des données théoriques, des informations de catalogue, des courbes de performance ou des tests réalisés avec des systèmes prototypes. Une fois que vous connaissez le vide requis, vous pouvez commencer à rechercher des pompes qui peuvent répondre aux exigences de lapplication.
Le vide nominal maximal dune pompe est généralement exprimé pour des cycles de service continus ou intermittents, et peut être obtenu auprès des fabricants de pompes. Le vide théorique maximal au niveau de la mer étant de 29,92 po-Hg, les capacités réelles de la pompe sont basées sur et comparées à cette valeur théorique. Selon la conception de la pompe, la limite de vide varie de 28 à 29,5 in.-Hg ou environ 93\% ou 98\% de la valeur théorique maximale. Pour certains types de pompe, le vide maximalêtre basé sur cette limite supérieure pratique. Pour dautres, où la dissipation thermique est un problème, la valeur de vide maximale peut également prendre en compte lélévation de température admissible.
Pompes à vide mécaniques
Une pompe à vide conventionnelle peut être considérée comme un compresseur qui fonctionne avec son admission en dessous de la pression atmosphérique et le refoulement à la pression atmosphérique. Les compresseurs et les pompes à vide ont des mécanismes de pompage identiques. La pompe à vide est simplement raccordée pour retirer lair dun récipient fermé et lévacuer dans latmosphère, ce qui est exactement le contraire de ce que fait un compresseur. Bien que les machines présentent de nombreuses similitudes, deux différences significatives entre les actions de compression et de pompage à vide doivent être prises en compte dans la conception du système. Le changement maximal de pression produit par une pompe à vide est limité; elle ne peut jamais être supérieure à la pression atmosphérique. De plus, à mesure que le vide augmente, le volume dair traversant la pompe diminue continuellement.Par conséquent, la pompe elle-même doit finalement absorber pratiquement toute la chaleur générée.
Les pompes à vide mécaniques sont généralement classées en déplacement positif ou non-positif (dynamique). Les pompes volumétriques aspirent un volume dair relativement constant malgré toute variation du niveau de vide et peuvent produire un vide relativement élevé. Les principaux types de pompes volumétriques comprennent: les modèles à piston alternatif et basculant, à palettes, à diaphragme, à rotor lobé et à vis rotative.
Les pompes à déplacement non positif utilisent des changements dénergie cinétique pour évacuer lair. un système fermé. Ils fournissent des débits très élevés, mais ne peuvent pas atteindre un vide poussé. Les principales pompes non volumétriques sont des unités centrifuges à plusieurs étages, des unités à flux axial et des ventilateurs régénératifs (ou périphériques). Parmi ceux-ci, seul le ventilateur est un choix économique pour les systèmes de vide autonomes ou dédiés.
Les considérations de température sont très importantes lors du choix dune pompe à vide mécanique car une chaleur externe ou interne élevée peut grandement affecter les performances et le service de la pompe la vie. La température interne de la pompe est importante car à mesure que le niveau de vide augmente, moins dair est présent pour évacuer la chaleur générée, de sorte que la pompe doit absorber plus de chaleur. Les pompes à usage intensif avec systèmes de refroidissement sont souvent nécessaires pour les applications à vide poussé. Mais les pompes à usage léger peuvent fonctionner au vide maximal pendant de courtes périodes de temps sil y a une période de refroidissement adéquate entre les cycles. La pompe subit une augmentation totale de la température en raison de toutes les sources de chaleur agissant sur elle – chaleur générée en interne plus chaleur provenant des fuites internes, de la compression, du frottement et de la température ambiante externe.
Pompes à vide de type Venturi
De nombreuses machines nécessitant du vide utilisent également de lair comprimé. Et si le vide nest requis que par intermittence, lair comprimé qui est déjà disponible peut être utilisé pour générer du vide grâce à un dispositif appelé générateur de vide, également appelé éjecteur de vide ou pompe à vide. En outre, lair comprimé peut également être utilisé en combinaison avec une ventouse en produisant une bouffée dair pour accélérer la libération de la pièce.
Les générateurs de vide fonctionnent selon le principe du venturi, Figure 4. Filtré, non lubrifié lair comprimé entre par lentrée A . Un orifice de diffuseur (buse), B , fait augmenter la vitesse du flux d’air, abaissant ainsi sa pression, ce qui crée un vide dans le canal C . Le flux dair séchappe dans latmosphère par le silencieux D .
Les générateurs de vide offrent plusieurs avantages. Ils sont compacts et légers, de sorte quils peuvent souvent être montés au point dutilisation ou à proximité. Ils sont peu coûteux et, du fait quils nont pas de pièces mobiles, ne nécessitent pas la maintenance associée aux pompes à vide mécaniques. Ils nont pas besoin dune source dalimentation électrique car ils génèrent du vide en puisant dans un système dair comprimé existant. Cependant, sil est installé ultérieurement dans une machine, la capacité du système pneumatique existant peut devoir être augmentée. La génération de chaleur, qui est souvent le facteur limitant avec les pompes à vide mécaniques, est peu préoccupante avec les générateurs de vide.
Les pompes mécaniques sont le plus souvent spécifiées pour fournir une machine sous vide de manière continue. Mais bon nombre de ces machines nutilisent le vide que par intermittence à de nombreux endroits différents. Dans des cas comme celui-ci, les générateurs de vide peuvent fournir une alternative pratique en fournissant du vide de manière intermittente à chaque source plutôt quen continu pour toute la machine.
Les générateurs de vide sont contrôlés simplement en initiant ou en arrêtant le flux dair comprimé vers la buse. Les générateurs de vide sont utilisés depuis des décennies, mais des améliorations relativement récentes ont conduit à des conceptions de buses qui offrent une efficacité de fonctionnement plus élevée.
Un autre développement utilisant venturis est les générateurs de vide à plusieurs étages. Dans cette configuration, deux ou plusieurs générateurs de vide sont raccordés en série pour produire un plus grand débit de vide sans utiliser plus dair comprimé. Essentiellement, léchappement de la première buse (qui détermine le niveau de vide maximal pouvant être atteint) sert dentrée pour un deuxième étage. Léchappement du deuxième étage sert alors dentrée pour un troisième étage. Cela signifie quun générateur à plusieurs étages évacue un volume donné plus rapidement quun générateur à un étage, mais ils finiront tous les deux par tirer le même niveau de vide.
Le choix dun générateur de vide dépend de la force de levage requise et le volume dair qui doit être évacué.La force de levage dépend du niveau de vide que le générateur peut tirer – qui, à son tour, dépend de la pression dair fournie – et de la surface effective de la ventouse. Dans la plupart des applications, il est important quun générateur soit capable de créer le vide requis le plus rapidement possible pour minimiser la consommation dair.
Réponse
Cela dépend en quelque sorte de «quoi» le vide absolu et «où» voudriez-vous quil soit.
Si vous voulez un volume sans aucune matière (atomes ou molécules), alors il est possible de le créer ici sur Terre.
MAIS.
Seulement dans un volume extrêmement petit et pour une durée très courte.
Généralement, particule la densité diminue à mesure que vous abaissez la pression. Dans des conditions normales, vous obtenez quelque chose comme 10 ^ 20 particules (molécules ou atomes) par cm cube. Lorsque vous descendez à lultra-vide (pression de 10 ^ -10 mbar) dans une chambre comme celle de limage ci-dessous, alors vous obtenez comme un million de particules par cm cube. Encore beaucoup, mais vous ne pouvez pas baisser avec un équipement scientifique «standard».
(Multiprobe Surface Science System à NBMC )
Pour descendre, vous devez visiter le CERN, où vous pouvez trouver le « conteneur anti-matière » avec 10 ^ – 17 mbar de pression à lintérieur.
(Piège à ions au CERN)
Cest comme cent particules dans un cm cube. Considérez que la taille dun atome est denviron 10 ^ -12 m et vous obtenez quelque chose comme des volumes de quelques millimètres cubes de courte durée avec un vide absolu entre les atomes (en moyenne). Nous parlons maintenant! Cest le volume auquel un humain normal (non-physicien) peut facilement penser.
Si cela ne vous suffit pas, vous devez opter pour le vide naturel. Et cela ne peut évidemment pas être observé sur Terre car nous avons beaucoup de choses qui volent autour de nous.
Vous devez donc vous déplacer hors de notre planète. Pour des pressions de 10 ^ -17 mbar (comme le CERN), vous devrez visiter lespace interplanétaire, mais nous voulons PLUS! Je veux dire, moins…
La prochaine étape serait de quitter le système solaire et de se déplacer dans lespace interstellaire. Dans notre galaxie, la densité estimée des particules interstellaires est denviron cinquante mille par mètre cube. WHOA! Vous pourriez mettre votre doigt dans un vide absolu! Seulement pendant un petit moment, car les molécules qui sévaporent de votre combinaison spatiale la contamineraient rapidement. Et si le doigt ne suffit pas, passons à l’espace intergalactique avec une particule par mètre cube . Maintenant, toute votre tête rentre dans le vide absolu!
(Je pense que ce serait lendroit où certaines personnes pourraient trouver un équilibre dans la vie. Absolument rien à lextérieur et à lintérieur de leur tête!)
Félicitations si vous avez réussi à lire tout ce qui précède et à aller aussi loin.
MAIS.
À ce stade Je dois te décevoir! Même si vous parveniez à vous promener dans lespace intergalactique à la recherche dun endroit vraiment vide pour y mettre la tête, vous vous rendriez seulement compte quil est plein de… DÉNERGIE! Le fond cosmique des micro-ondes est là. Le rayonnement des reliques de lépoque du Big Bang vous attend dans tous les coins de lUnivers…
Oui – si jamais vous pouviez vous débarrasser de toute matière, il resterait encore beaucoup dénergie.
Et même si vous pouviez en quelque sorte filtrer tous les rayonnements, la théorie quantique ne vous laisserait pas être seul… car même le vide quantique totalement absolu est plein de fluctuations dénergie et de particules virtuelles. Donc la conclusion est:
IL NE PEUT Y AVOIR AUCUN VIDE ABSOLU PARTOUT DANS LUNIVERS.
OOPS! Pardon. Ai-je oublié de vous dire que nous le savons depuis assez longtemps? Depuis Aristote a dit que la nature a horreur du vide il y a plus de deux millénaires?