Une pompe à vide Roots fonctionne selon un principe simple mais très efficace. Son mécanisme interne déplace le gaz d'une entrée à une sortie sans le comprimer à l'intérieur de la chambre de pompage. Ce processus repose sur le mouvement synchronisé de plusieurs pièces essentielles fonctionnant en parfaite harmonie.
Le cycle de fonctionnement en quatre étapes
Le pompage s'effectue selon un cycle continu en quatre étapes qui se répète des milliers de fois par minute. Les rotors modernes peuvent tourner à des vitesses de 3 000 à 6 000 tours par minute. Cette vitesse élevée permet à la pompe de déplacer de grands volumes de gaz très rapidement.
Admission : Lorsque les deux rotors à lobes tournent en sens inverse, un espace se forme à l’entrée de la pompe. Le gaz provenant de la chambre à vide s’engouffre alors dans ce volume en expansion.
Isolation : L’extrémité d’un lobe du rotor passe devant l’orifice d’entrée. Cette action emprisonne un volume précis de gaz entre le rotor et le carter de la pompe.
Transfert : La poche de gaz emprisonnée est ensuite aspirée à l’intérieur du boîtier vers la sortie. L’une des principales caractéristiques de la pompe à vide Roots est qu’elle ne comprime pas ce gaz lors du transfert. Ce fonctionnement sans contact et sans huile la rend insensible aux faibles quantités de poussière ou de vapeur d’eau.
Échappement : Le rotor continue de tourner, exposant la poche de gaz à l’orifice de sortie. Le gaz se détend alors dans la conduite d’échappement, où une pompe de refoulement l’évacue du système. Ce cycle se répète, acheminant continuellement le gaz de l’entrée à la sortie et abaissant la pression du système.
Remarque : Bien qu’elle soit très efficace pour de nombreux gaz, la capacité d’aspiration d’une pompe Roots est inférieure pour les gaz très légers comme l’hydrogène par rapport à d’autres types de pompes.
Composants clés et leurs fonctions
Le bon fonctionnement d'une pompe Roots repose sur quelques composants essentiels conçus avec une grande précision.
Rotors : La pompe est équipée de deux rotors à lobes imbriqués (souvent en forme de huit). La forme, ou profil, de ces lobes influe directement sur les performances. Différents modèles offrent des compromis entre vitesse de pompage et rendement. Les rotors hélicoïdaux, par exemple, contribuent à réduire les pulsations de pression et le bruit de fonctionnement.

Carter (Enveloppe) : Il s’agit du corps extérieur qui renferme les rotors. Il est conçu pour résister aux différences de pression entre le système de vide et l’atmosphère. Le matériau utilisé pour le carter et les rotors dépend des exigences de l’application en matière de résistance à la corrosion, de robustesse et de coût.

Engrenages de synchronisation : Situés à l’extérieur de la chambre de pompage, les engrenages de synchronisation sont essentiels. Ils synchronisent les deux rotors, garantissant leur rotation en sens inverse sans jamais entrer en contact l’un avec l’autre ni avec le carter. Cette synchronisation est fondamentale pour le fonctionnement sans contact de la pompe.

Joints d'étanchéité d'arbre : Ces joints empêchent l'air de pénétrer dans la chambre à vide et évitent la contamination du processus par les lubrifiants. Le choix du joint dépend du niveau de vide requis et de l'application.

L'importance des jeux précis

Le terme « jeu » désigne les espaces minuscules et calculés entre les rotors et entre les rotors et le carter. Ces jeux sont essentiels au bon fonctionnement de la pompe. Ils permettent aux rotors de tourner à grande vitesse sans frottement, ce qui offre de nombreux avantages :
Démarrage rapide
faible consommation d'énergie
vitesse de pompage élevée
Faibles coûts d'exploitation et d'entretien
Cependant, ces jeux doivent être parfaitement maîtrisés. En fonctionnement, la pompe génère de la chaleur. Cette chaleur provoque la dilatation des composants métalliques, un phénomène appelé dilatation thermique. À mesure que les rotors et le carter se dilatent, les jeux entre eux diminuent.
Avertissement : Si les jeux deviennent trop faibles en raison de la dilatation thermique ou d’un assemblage incorrect, les rotors peuvent entrer en contact entre eux ou avec le carter. Ceci entraîne des frottements, des dommages aux composants, une augmentation de la charge du moteur et un risque de grippage de la pompe. À l’inverse, des jeux trop importants permettent aux gaz de fuir de la sortie vers l’entrée, ce qui réduit considérablement le rendement de la pompe.
Une conception et un choix de matériaux appropriés garantissent qu'une pompe à vide Roots conserve des jeux optimaux sur toute sa plage de températures de fonctionnement, offrant ainsi des performances fiables et efficaces.