DRY VACUUM PUMP TECHNOLOGIES Le tecnologie delle pompe a secco Dr.Joris Cinquetti Cinquepascal srl

Drypumping Technology La tecnologia del pompaggio a secco E UNA TECNOLOGIA BEN STABILIZZATA; per le applicazioni industriali pi gravose si pu contare su : 20 anni di esperienza >150.000 drypump installate Semiconductor Processing Dusty Application (CVD) Applicazioni Aggressive (Etching) Processi Chimici Processi con Acidi e solventi in applicazioni che presentano spesso il rischio di ingestioni liquide

Drypumping Technology Quali sono le ragioni per utilizzare le pompe a secco se sono pi care delle pompe tradizionali?

Perch il pompaggio a secco? Lolio il punto critico nei processi di pompaggio I meccanismi di pompaggio sono senza olio (OIL FREE) e quindi non vi nessun processo connesso al degrado dellolio nelle pompe a secco. Con lolio quello che entra in pompa non ancora fuori dal processo! Lingresso di polveri nellolio conduce alla formazione di una melma compatta che pu rigare i meccanismi ed indurre perdita nelle prestazioni della pompa, oppure pu occludere le linee di lubrificazione danneggiando definitivamente i meccanismi. I vapori condensabili (tipicamente lacqua) emulsionano nella pompa modificandone le caratteristiche e potenzialmente corrodendola. Lolio viene attaccato e degradato da molti prodotti di processo (solventi o gas da plasma, etc)

Vantaggi del pompaggio a secco Riduzione dei costi di processo Sicurezza e Affidabilit I meccanismi non sono a contatto tra loro Minima usura Riduzione della manutenzione ordinaria olio e filtri Riduzione della manutenzione straordinaria la pompa aggredita e corrosa tipica dellolio non pi cos frequente e la manutenzione solamente dedicata alla integrit meccanica (esempio i cuscinetti) e prevedibile su tempi lunghi (6 anni)

Vantaggi del pompaggio a secco l Pompaggio di vapore acqueo, solventi ed aggressivi con possibilit di diluizione forte per gas corrosivi, tossici e piroforici l Possibilit di recuperare il solvente pulito allo scarico della pompa l Possibilit per polveri solide di attraversare il meccanismo pompante. Questa possibilit non esiste nelle pompe con olio nelle quali la contaminazione solida finisce con rompere il meccanismo l Possibilit di lavorare a qualsiasi pressione intermedia senza particolari problemi

Benefici comuni ai vari tipi di pompe a secco Benefici ambientali Nessun olio da stoccare. Nessun olio da smaltire Nessun olio emesso in ambiente Nessun olio respirato dal personale Benefici tecnologici di processo Uniformit nel tempo delle prestazioni delle pompe Recupero facilitato dei gas pompati e facilit di trattamento degli stessi Processi puliti Non vi inquinamento della camera di processo Non vi inquinamento del gas pompato Non vi cross contamination

Applicazioni Distillazione Essiccamento Evaporazioni Reattori Pompaggio e Recupero Solventi Pompaggi in sterilizzatori con ossido di etilene Impianti centralizzati Pompaggio di gas con basse temperatura di auto-ignizione (T4) Pompaggio di gas infiammabili (IIA,IIB) Pompaggio di gas corrosivi Pompaggio di acidi grassi Ricircolo gas di processo (azoto elio etc) Fornaci da vuoto (metallurgia) Liofilizzazione

Principi delle Dry Pump Technologies Nellindustria: Lobi tipo Roots e multiroots Vite Claw e multiclaw e combinazioni Palette di grafite Le pompe a secco debbono garantire che potenziali contaminazioni passino attraverso i meccanismi. Nei laboratori di ricerca Scroll Membrana Pistone e multipistone Grafite Setacci molecolari Rotativa a palette di grafite Le pompe a secco debbono principalmente garantire la non contaminazione del sistema in vuoto

Pompa a vite -Screw pump

Screw Pumps - Generalit Principio ben utilizzato per i compressori, adattato per il vuoto. Il meccanismo pompante costituito da due viti senza fine, a passo costante, che ruotano sincrone con piccole tolleranze. Il gas pompato muove assialmente sospinto dal moto spiraleggiante della vite verso lo scarico. Le viti agiscono come una tenuta dinamica e tutto il pompaggio avviene nellultimo quarto di giro. Originalmente sono state sviluppate per il pompaggio di gas radioattivi, poi per lindustria chimica (tolleranza al pompaggio di vapori e di liquidi) ed infine per applicazioni nei semiconduttori. Pu essere orizzontale o verticale dipende dal costruttore e dal settore merceologico a cui si rivolge. Il vuoto finale dato dal numero di eliche nella vite e dalle tolleranze tra le eliche e lo statore. Vuoto ultimo misurato con Pirani : 0,001 mbar

Meccanismo a vite orizzontale

Screw pump- Pompa a vite

Pompa a vite orizzontale

Pompa a vite verticale

Pompe a VITE : Caratteristiche positive Buon vuoto finale ed elevate portate Costruzione apparentemente semplice Facile da smontare Ottimo smaltimento di liquidi Possibilit di flussare i solventi durante il pompaggio Elevato rapporto di compressione Mancanza di zone di intrappolamento per il gas o per le polveri trascinate nel pompaggio Il flusso nella pompa diretto La pompa non richiede condensatori di interstadio Possibilit di riscaldare uniformemente lo statore prevenendo la condensazione

Pompe a VITE : Limiti Non vi compressione del gas se non nella elica che connessa allo scarico. Il volume costante lungo lasse di pompaggio e non vi sono stadi di compressione Il gas subisce una grande quantit di lavoro con conseguente consumo di energia Lavora molto calda sullo scarico, la temperatura pu superare i 300 gradi in una zona limitata vicino allo scarico Le viti vanno cambiate a coppia e sono molto complicate da produrre I rotori sono molto cari anche per il coating protettivo usato come letto sacrificale. Nel tempo il valore del vuoto finale peggiora con il diminuire del coating (pu arrivare anche ad 1 decade) Le polveri contribuiscono alla rovina del coating per abrasione fra i rotori in un moto circolare. Il volume costante attraverso il meccanismo significa che un volume grande di gas viene ricompresso allo scarico.Maggiore la ricompressione maggiore il consumo di energia (anche vicino alla pressione finale) e pi alta la temperatura che pu arrivare ai 300 o C. Il raffreddamento di una pompa a vite vitale soprattutto vicino allo scarico, vicino ai cuscinetti ed allolio per rimuovere il calore in eccesso. Molti gas e materiali di processo possono polimerizzare alle temperature elevate. Le elevate temperature possono ridurre le vita dei componenti

SCREW Pompa a vite Il contatto evidente in questo punto sullo scarico atmosferico La tolleranza ed il numero di spire cruciale per determinare il vuoto finale. La portata determinata dal volume del gas intrappolato tra le spire.

Curve tipiche della pompa a vite

Considerazioni sui meccanismi a vite TEMPERATURA PRESSIONE I picchi di temperatura e pressione possono causare reazione nei gas pompati Bisogna utilizzare molta acqua & N2 per contenere i picchi di temperatura I solidi possono condensare sulle superfici fredde Valore Posizione La Ri_ compressione del gas richiede molta potenza

Considerazioni sui meccanismi a vite Richiedono cuscinetti in alto vuoto in alcuni modelli I rotori vengono forzati ed abrasi dai depositi: alcuni costruttori prevedono la pulizia col vapore dopo i pompaggi 5 oil seals in alcuni modelli Suscettibile ai fenomeni di exhaust backpressure; possono esserci problemi nellaccoppiamento con tecnologie di abbattimento vapori

Pompa a lobi rotanti -Roots Pump

Pompa Roots Pompa a trasferimento di gas che utilizza due o pi lobi rotanti sincronizzati per muovere il gas. Vuoto ultimo misurato con Pirani : 0,0001 mbar Oil free. Utilizzata normalmente per aumentare il vuoto finale e la portata della pompa di prevuoto. Speed range 250 - 30.000 m 3 /h

Meccanismo Roots Trilobato

Roots pump VANTAGGI Alto rapporto di compressione volumetrico alle basse pressioni Meccanismo molto conosciuto SVANTAGGI Richiede pompa preliminare (pi stadi di pompaggio) Compressione bassa alle alte pressioni Dilatazione eccessiva (forte raffreddamento)

Pompa Booster Il meccanismo roots un dispositivo senza valvole dove una coppia di rotori a lobi, interconnessi e sincronizzati, ruotano in direzione opposte con un minimo gioco luno rispetto allaltro e rispetto alle pareti dello statore. Il gas intrappolato allingresso di ogni lobo ed incanalato verso luscita lungo le pareti dello statore. Rimuove grandi volumi di gas ma non un vero compressore La sua efficienza al massimo tra 1 e 10 -2 mbar

Problemi di retroespansione del gas Il meccanismo Roots non adatto per scaricare ad alta pressione con un alto rapporto di compressione. Una tale operazione comporta un grande lavoro da fare sul gas e comporta problemi di riscaldamento che possono portare al blocco del meccanismo stesso.

Rapporto di compressione Ratio of Inlet pressure (mbar) 50 40 30 20 10 -3 -2 0 1 2 3 Outlet pressure Inlet pressure

Meccanismo a dente - Claw Mechanism

Meccanismo a Claw singolo VANTAGGI Autovalvolante Buona compressione allatmosfera con poco calore generato Capacit di pompare vapori e polveri Compattezza Facilit di diluizione del gas pompato con ballast SVANTAGGI Il vuoto finale di uno stadio di un centinaio di millibar Vi una zona di rientro gas pompato che se riempito di liquido potrebbe bloccare la pompa Necessit di gas per la pulizia delle tenute Poca compressione alle basse pressioni

Claw Compression Ratio Inlet pressure (mbar)

Claw mechanism Ratio of Outlet pressure (mbar) 50 40 30 20 10 -3 -2 0 1 2 3 Roots mechanism Outlet pressure Inlet pressure Claw mechanism

Claw Mechanism

Meccanismi a stadi multipli Meccanismi roots multistadi Dente a claw Meccanismi multi-claw Multistadi claw invertiti Multistadi claw invertiti con stadi roots

Meccanismi roots multistadio

Meccanismo a tre stadi con valvole interne Tre stadi con cinghie Compressione povera Valvole di interstadio Manutenzione complessa Raffreddamento motore forzato Disponibile solo per pompaggi molto puliti Minima capacit di pompaggio liquidi No explosion testing Inadatta agli attacchi chimici Quasi scomparsa dal mercato

Tre stadi roots con condensatori dinterstadio Compressione inefficiente Eccessiva generazione di calore Essenziale lInterstage cooling Rischi elevati di : Cooler blockage Condensation Chemical attack

Questo meccanismo a 6 stadi permette di raggiungere 10-2 mbar. I primi 3 meccanismi bilobati non hanno scambiatori di calore di interstadio, mentre il secondo gruppo di 3 rotori trilobati li prevede. I lobi sono montati su una coppia di assi diversi tra loro poich un asse troppo lungo potrebbe flettere sotto carico e bloccare il meccanismo La pompa sostituisce una doppio stadio ad olio

Osservazioni generali sui tre stadi Roots 3 stadi Spesso motore a cinghia Compressione povera Valvole di interstadio Manutenzione continua nei processi pesanti Motore adeguato Consigliata per le applicazioni clean Si genera eccessivo calore I condensatori di interstadio sono essenziali Probabile punto di blocco senza meccanismi di sblocco Condensazione con probabile attacco chimico Scarsa capacit di ingerire liquidi

Two Stage Claw Mechanism Due stadi di compressione Alti rapporti di compressione Eccessiva produzione di calore Condensatore di interstadio Condensazione Corrosione Rischio di blocco idraulico Nessun meccanismo di sblocco

Three-stage Reversed Claw Pump INGRESSO SCARICO CLAWS INVERTITI

Three-stage Reversed Claw Pump

Alcuni vantaggi del design con lobi invertiti Non vi una riduzione della temperatura del gas tra gli interstadi le eventuali Polveri sono pompate attraverso la pompa Inlet Exhaust Gas Flow Path

Multi stage inverted claw Vantaggi Il cammino del gas minimizzato (compattezza) prevenendo la condensazione e laccumulo di particolato Eccellente pompaggio di polveri, solventi condensabili. Il vuoto finale non cambia anche se uno stadio viene corroso da polvere o vapore Maccanismo autovalvolante con distribuzione continua della temperatura di compressione La pompa viene vestita in funzione del processo data la facilit di diluizione del gas pompato con ballast Vuoto ultimo misurato con Pirani : 0,001 mbar Svantaggi Il vuoto finale appena inferiore a 0.1 millibar Vi una zona di rientro gas pompato che se riempito di liquido potrebbe bloccare la pompa Necessit di gas per la pulizia delle tenute

3-stage Claw 1 Inlet flange 2 Upper bearing in removable cartridge 3 Integral water cooling 4 Heat exchanger for cooling water circuit 5 Three stage claw mechanism 6 Reversed claws for shortest gas path 7 Blow-off valve for low power consumption 8 Outlet flange 9 Gear box 10 Clutch assembly 1 2 3 4 5 6 7 8 10 9

Multi stage claw Come nei dispositivi all-roots tutti gli stadi claw (4 in questa figura) sono sullo stesso albero Se si segue landamento del gas si vede che luscita da uno stadio e lentrata nello stadio successivo non coincidono e quindi richiesto un grande cammino per il gas nella pompa stessa. Se il cammino troppo lungo la velocit del gas pu diminuire, la sua temperatura ridursi fino ad avere condense localizzate o depositi di particolato. Questo pu creare problemi alla pompa ed aumentare i costi di manutenzione

Claw with Roots Vantaggi Oltre ai vantaggi precedenti utilizza le prestazioni ottimali della roots operante a pressioni inferiori di 1 mbar Aumento del vuoto finale Svantaggi Velocit ridotta alla pressione atmosferica Vi una zona di rientro gas pompato che se riempito di liquido potrebbe bloccare la pompa Necessit di gas per la pulizia delle tenute

Rapporti di compressione Ratio of Outlet pressure (mbar) 50 40 30 20 10 -3 -2 0 1 2 3 Roots mechanism Outlet pressure Inlet pressure Claw mechanism

Roots-claw pump mechanism Claw invertita pi roots Edwards patent

Canned Motor Claws & Roots Roots multi- lobi Acqua di raffreddamento Ingranaggi Flangia di accoppiamento 5th 4th 3rd 2nd 1st Cuscinetti Tenute Roots - Claw Mechanism Scarico Ingresso

GV(M) Cutaway

next generation chemical dry pump...available in 2002 THE BRIGHTEST STAR DRYSTAR CDX 850 THE NEXT GENERATION

Zavorra dazoto La zavorra dazoto usata in molti meccanismi a secco ha le seguenti funzioni: Gas ballast previene la condensazione di vapori chimici nella pompa Purge mantiene la velocit del gas Tenuta dinamica di sicurezza sulle guarnizioni dellalbero motore mantiene pulite le guarnizioni e garantisce la ermeticit dellaccoppiamento segnala anomalie Diluizione gas tossici,corrosivi,piroforici ed ossidanti

Obiettivi ed innovazioni per le nuove generazioni di pompe a secco industriali Capacit di lavorare molto calde Aumentare la capacit di pompare polveri Non avere cuscinetti in vuoto Ridurre la Potenza Non necessitare di gas di tenuta sullalbero Ridurre od eliminare acqua di raffreddamento Ridurre il footprint

Principi delle Dry Pump Technologies Nellindustria: Lobi tipo Roots e multiroots Vite Claw e multiclaw e combinazioni Palette di grafite Le pompe a secco debbono garantire che potenziali contaminazioni passino attraverso i meccanismi. Nei laboratori di ricerca Scroll Membrana Pistone e multipistone Grafite Setacci molecolari Rotativa a palette di grafite Le pompe a secco debbono principalmente garantire la non contaminazione del sistema in vuoto

Pompa a membrana Pompa a trasferimento di gas che utilizza il moto oscillante di un diaframma per muovere il gas. Vuoto ultimo misurato con Piezoresistivo nei modelli a pi stadi : 1 mbar Pompa oil free. Resiste a molti processi chimici di laboratorio

Meccanismo a pistone multiplo

Pompa scroll Pompa a trasferimento di gas che utilizza il moto rototraslatorio di una chiocciola di profilo particolare per muovere il gas Vuoto ultimo misurato con Pirani : 0,01 mbar Applicazioni Oil free. Hanno una capacit limitata nel pompare vapori o gas chimici dato che non sopportano liquidi Non sono adatte ad utilizzi industriali eccetto per le load lock.

Principio delle pompe Scroll Due meccanismi scroll(chiocciola), uno inserito nellaltro. Uno fisso, laltro mobile in un moto rototraslatorio. Il meccanismo scroll intrappola tasche di gas e le trasferisce continuamente verso il centro della chiocciola fissa. Ogni chiocciola ha 5 orbite per trasferire e comprimere il gas prima che raggiunga lo scarico La pressione ultima di circa 10 -2 mbar. Quindi il valore di vuoto simile a quello di una pompa rotativa a bagno dolio doppio stadio.

Principio di funzionamento

Scroll pump Orbita fissa Retro dellorbita mobile Divisore Fronte fisso Orbita mobile

Seconda generazione Scroll Pumps Piccole portate Pompaggio chimico Minimo consumo energetico Manutenzione semplice

Pompa ad assorbimento 1 Pompa a cattura, statica, che utilizza materiale adsorbente ad alta superficie raffreddato in un bagno di azoto liquido. I gas sono fisicamente assorbiti sulla superficie di stracci molecolari od altri materiali porosi Vuoto tipico (funzione del volume da vuotare): 10 -2 mbar Applicazioni: Oil free. Pompaggio preliminare a pompe tipo ion getter. Effetti di saturazione, portata decrescente nel tempo Effetti di pompaggio selettivo dei gas; pompa poco H 2 o gas nobili

Pompa ad assorbimento 2 Tipicamente un contenitore in alluminio od in acciaio inossidabile con alette per il trasferimento del calore immerso in un bagno di azoto liquido, riempito dio materiale adsorbente Il materiale tipico sono le zeolite come la Zeolite 13X-allumino silicato alcalino (in pellets di 5-8 mm per 3 di diametro) o pi raramente il carbone attivo Le porosit consigliate dei setacci molecolari sono di 0,4 nm (diametro molecolare N 2 =0,32 nm e O 2 =0,29 nm); il rapporto superficie interna peso tipicamente 550m 2 /g e le cariche vanno da 300 a 1200 g. es. la 13X ha una superficie di 13 m 2 /g, diametro pori 13A, 5 10 18 molecole assorbite per ogni mm 2, che per N 2 corrispondono a 2*10 -4 g od 0,2 mbar*l. In un sistema da 15 l di volume con aria pulita si raggiungono da 0,02 a 0,04 mbar con una carica di 300 g. Lutilizzo di due sistemi in serie permette di raggiungere qualche 10 -4 mbar

Pompa ad assorbimento 3

IPX La pompa IPX una pompa primaria sviluppata per il mercato dei semiconduttori Motore e meccanismi pompanti integrati in un unico albero ad elevata velocit Meccanismo di pompaggio combinato tra: Uno o pi stadi drag a bassa pressione Holweck Multistadi fluidodinamici per lalta pressione Scarico alla pressione atmosferica e pressioni da 10-2 a 10-5 mbar.

IPX Drag Holweck Drag Statore Drag Rotore InletOutlet Canale ad elica Cilindro rotante Cilindro stazionario Cilindro rotante con scanalatura ad elica stazionaria o Rotore con scanalatura ad elica rotante e cilindro stazionario Opera nei regimi molecolare e di Knudsen Stadio single drag Holweck

IPX Meccanismo Fluidodinamico FD Rotore FD Statore Rotore Statore Uscita Ingresso Tipico cammino delle molecole di gas Sezione A-A del canale Lama Canale del flusso Cammino del gas Le lame, aerodinamicamente sagomate allo scopo, ruotano ad elevata velocit causando delle spirali vorticose di flusso nei canali Servono multistadi per raggiungere la necessaria compressione Normalmente opera in regime viscoso Stadio singolo FD

IPX - Cross Section Upper Bearing Lower Bearing Vacuum Inlet Exhaust Low Pressure Drag Stages High Pressure Fluid Dynamic Stages Drive EMC Filter Pack Water Outlet Water Inlet Seals Motor Oil Filter Oil Pump Inlet Strainer

IPX Stadi e Vuoto IPX100 IPX180 IPX500 2 Stadi convenzionali Drag 3 Stadi convenzionali Drag 1 Rotore ad elica pi 4 stadi convenzionali Drag 100 m 3 /hr 5 x 10 -3 mbar 180 m 3 /hr 1 x 10 -4 mbar 500 m 3 /hr 1 x 10 -6 mbar

IPX100 Speed curve

IPX Speed Curves IPX500 IPX180 IPX100

IPX500 gas speed curves

IPX Compatta Pulita (non ci sono cuscinetti in vuoto) Elevata affidabilit/minima manutenzione meccanismi non a contatto nessuna usura (non genera particolati) Vibrazioni ridottissime Rumore non eccessivo Bassi consumi

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