vide, technologie du

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Présentation

vide, technologie du, ensemble des procédés et des équipements utilisant le principe suivant : dans un récipient fermé, lorsque l'on réduit la quantité d'un gaz, comme l'air, les molécules, les atomes et toutes les particules chargées dérivées de ceux-ci (ions, électrons, etc.) se déplacent plus librement. Cette liberté de déplacement dépend de la réduction de la pression gazeuse.

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Historique

Des vides faibles et moyens sont communément utilisés dans les appareils ménagers tels que les bouteilles Thermos et les aspirateurs depuis la fin du XIX^e siècle. La distillation des résidus de pétrole et l'élimination de l'oxygène atmosphérique des ampoules électriques s'appuient également sur la technologie du vide. Cependant, avant la Seconde Guerre mondiale, les techniques permettant d'atteindre un vide quasi parfait étaient surtout utilisées dans les laboratoires de recherche, à l'exception de la production des tubes à vide. Pendant la guerre, les techniques de revêtement des lentilles optiques avec des films extrêmement fins de fluorure de magnésium, utilisant un vide poussé, prirent de l'importance. Ce processus améliora la qualité optique des lentilles en réduisant la réflexion lumineuse. Les techniques fondées sur le vide poussé sont également employées pour distiller des huiles de poisson au niveau moléculaire, afin de produire des concentrés de vitamine A. La séparation électromagnétique de l'uranium-235 des autres isotopes plus abondants auxquels il est associé naturellement est aussi une application de cette technologie.

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Utilisations

La réfrigération industrielle à grande échelle est une des applications récentes les plus importantes de la technologie du vide. La vitesse d'évaporation de l'eau est augmentée sous vide ; un tel processus est utilisé pour lyophiliser des aliments (voir conditionnement des aliments). L'eau des aliments est éliminée par sublimation (c'est-à-dire transformation en glace). Cette glace gèle à son tour la nourriture. L'évaporation d'un métal dans un vide poussé est utilisée pour couvrir des matières plastiques ou d'autres matières, et leur donner ainsi un aspect réfléchissant, métallique et brillant. L'utilisation de pompes à vide performantes, permettant d'obtenir très rapidement un vide poussé, accéléra considérablement la production des tubes cathodiques pour les postes de télévision. Le traitement sous vide poussé de métaux coulés, moulés ou frittés améliore leurs propriétés physiques en éliminant les gaz et autres impuretés. Des cristaux monométalliques, utilisés dans les transistors, sont préparés dans des fours à vide poussé. Les transformateurs électriques et les câbles à haute tension sont imprégnés sous vide d'un matériau hautement diélectrique, afin d'améliorer leur isolation. Pour obtenir une isolation maximale et éviter ainsi les déperditions de chaleur, on maintient dans un vide poussé les parois des bouteilles et tuyaux destinés à stocker et à transporter l'oxygène, l'azote et l'hélium liquides. Les substrats utilisés dans la fabrication des microcircuits électroniques reçoivent un revêtement, appliqué par métallisation sous vide poussé, et composé de matériaux réfractaires. Voir circuit intégré.

Dans la recherche scientifique et technologique, la technologie du vide a une importance considérable. Les accélérateurs de particules atomiques se fondent sur des vides poussés, voire très poussés, qui permettent de libérer pour les particules une trajectoire non encombrée et relativement exempte de gaz. Pour tester les équipements spatiaux dans des conditions simulant celles de l'espace, on utilise de grandes chambres. Elles ont parfois un volume de plusieurs milliers de mètres cubes, ce qui nécessite des vitesses de pompage élevées pour éliminer le gaz qu'elles contiennent. L'analyse chimique d'un matériau se fait parfois à l'état gazeux ou sous forme d'ions électriquement chargés ; il est alors impératif de procéder sous vide. On découvre constamment de nouvelles applications de la technologie du vide.

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Équipement

Un système à vide opérationnel est généralement constitué de trois parties : la chambre dans laquelle le travail est effectué, les pompes à vide et les accessoires, comme les commandes électriques et la tuyauterie. Un système à vide simple est représenté sur la figure 1. Pour rendre l'équipement opérationnel, la chambre de travail avec sa jauge est scellée sous vide au port de pompage. Lorsque les soupapes de vide poussé et de dégrossissage ont été fermées et la soupape de prévide ouverte, les pompes mécaniques démarrent ainsi que celles de diffusion. Lorsque la pompe de diffusion fonctionne, elle est isolée du reste du système par fermeture de la soupape de prévide. La chambre de travail est ensuite vidée par la pompe mécanique. Pour ce faire, la soupape d'entrée de l'air est fermée et la soupape de dégrossissage ouverte. La pression à l'intérieur de la chambre de travail est réduite jusqu'à un dixième de bar. La chambre est ensuite ouverte à la pompe de diffusion, en fermant la soupape de dégrossissage, puis en ouvrant les soupapes de prévide et de vide poussé. La chambre de travail est ensuite sous vide poussé. Elle est constituée d'un conteneur étanche à l'air. Pour les opérations simples, un verre à joint en caoutchouc ou un récipient en forme de cloche d'acier fait souvent office de chambre de travail. Des connexions étanches sont prévues pour les accessoires tels que les verres de vue, les appareils qui transmettent le mouvement mécanique dans le vide, ainsi que les bornes électriques.

Le moteur alternatif à vapeur constitue un des premiers types de pompe à vide. Dans ses applications relatives à la technologie du vide, elle a été remplacée par la pompe rotative avec joint étanche à l'huile (figure 2), et par la pompe à éjection (figure 3). Dans la pompe rotative, un cylindre excentré tourne à l'intérieur d'un carter cylindrique creux. Une palette alternative, montée dans le carter et maintenue en contact avec le rotor, fait office de joint entre les ports d'entrée et de sortie. Tout l'intérieur baigne dans une huile d'étanchéité sous basse pression. Les pompes à éjection fonctionnent d'après le principe suivant : un liquide ou gaz sous pression passant à travers une buse prend la forme d'un jet, aspire au passage des molécules de gaz et les éjecte, ce qui produit un vide. La pompe à diffusion fonctionne sur un principe similaire, mais utilise la vapeur d'un liquide sous très basse pression, comme par exemple un fluide organique spécialement sélectionné et préparé, ou du mercure. Les vapeurs chauffées sont recyclées par un processus continu de condensation et d'ébullition. Parmi les autres types de pompe à vide, on trouve les pompes ioniques (utilisées pour obtenir un état sec, exempt de toute vapeur et fonctionnant par ionisation des molécules de gaz et par piégeage de ces molécules sur les plaques d'un collecteur électrique), les pompes ioniques chimiques (dont le fonctionnement repose sur la réaction de vapeurs métalliques avec le gaz, suivi de la condensation de ces vapeurs sur le carter de la pompe), et enfin les absorbeurs à zéolites (qui éliminent les gaz en les adsorbant et en les absorbant grâce à des zéolites synthétiques). On obtient des vides encore plus poussés grâce aux absorbeurs à ionisation-adsorption. Il est aussi possible d'effectuer un pompage cryogénique (voir cryogénie) en condensant les gaz sur des surfaces maintenues à des températures extrêmement basses.

Les pompes, les soupapes, les séquences de fonctionnement et les verrouillages de protection intermédiaires sont contrôlées par des composants électriques situés dans une commande située sur ou près de la machine. Les commandes peuvent être manuelles ou informatisées. On utilise souvent des chicanes et des pièges à condensation dans les tuyaux à vide, pour vérifier le mouvement des molécules de gaz indésirables des pompes vers la chambre de travail ou dans le sens inverse. Les chicanes fonctionnent soit à la température locale, soit refroidies à la température de la glace sèche ou de l'azote liquide, les molécules étant condensées ou adsorbées sur les surfaces des chicanes. D'autres composants des systèmes à vide sont les soupapes, les tuyauteries et les connexions de tuyauterie, toutes conçues pour être parfaitement étanches.