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Università degli Studi di PadovaCorso di laurea in Scienza dei Materiali
Modulo di
“Tecniche di Vuoto e Film Sottili”
prof. V. Palmieri
www.surfacetreatments.orgSuperconductivity Lab - Laboratori Nazionali di LegnaroIstituto Nazionale Fisica Nucleare - Viale dell'Universita', 2 35020 Legnaro (PADOVA) - ITALY
Produzione del Vuoto: Pompe MeccanicheDispensa 1 - Parte 3
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Pompe Roots
Questo tipo di pompe meccaniche ha una apprezzabile applicazione nel campo dei bassi e medi vuoti, soprattutto allorchési debba trasferire _____________ di gas.
Le pompe Roots operano normalmentein combinazione con ______________, per esempio, del tipo rotativo; si possonocosì raggiungere pressioni limitedell'ordine di ________ Pa e anche minori.
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Generalmente le pompe Roots sono messe in funzione quando la pressione è già stata diminuitadalla pompa preliminare fino a meno di 100 Pa. Il vuoto preliminare richiesto può essere anchepeggiore e, per esempio, di qualche centinaio dipascal; in queste condizioni si possono verificare, però, eccessivi surriscaldamenti e riflusso di gas verso il sistema da vuotare.
La pompa Roots è costituita essenzialmente dadue ____________ a forma approssimativamentedi _________, rotanti in senso opposto in unacamera connessa da una parte al sistema da vuotoe dall'altra alla pompa preliminare. I rotori_______________________________________, né ____________________________________; il gioco tra i rotori e la parete e tra rotore e rotoreè di alcuni ________________________ o meno; in tale modo il movimento dei rotori avviene__________________________ e senza necessitàdi ____________________.
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Schema costruttivo e di funzionamento di una pompa Roots
Il gas da pompare viene
• ____________ attraverso l'imboccatura (1) della pompa,
• “______________" e compresso nel volume operativo (2),
• compresso tra un __________________ e la semicamera
• scaricato verso la _____________ attraverso l'apertura (3)
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Il rapporto di compressione ottenibiledipende dal gioco tra i rotori e tra rotori e parete della camera; esso dipende anchedalla pressione prodotta dalla pompapreliminare e raggiunge un massimo per pressioni comprese tra_________________ ________________________.
Con un pompa Roots a uno stadio si può, per esempio, raggiungere rapporti dicompressione dell'ordine di ___________, a una pressione preliminare di 133 Pa, mentre essi scendono intorno a 15: 1, a unapressione preliminare di _____________.
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La velocità di pompaggio effettiva e la pressione limite di una pompa Rootsdipendono sensibilmente dalle caratteristiche della pompa preliminare usata.
Poiché ovviamente le due pompe sono attraversate dalla stessa quantità di gas deve infatti valere l'equazione di continuità:
_________________________________
, dove Sv è la _______________________ della pompa preliminare alla pressione pv(all'uscita della pompa Roots) e SR è la _______________________ della pompa Roots alla pressione pR (all'imboccatura di ingresso di questa pompa).
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Il rapporto pv/pR = KR rappresenta il rapportodi compressione della pompa Roots. La velocità di pompaggio effettiva della pompaRoots potrà perciò essere scritta, utilizzandol'equazione di continuità sopra citata, nelmodo seguente: SR = KR · Sv.
I fattori di compressione sono generalmenteforniti dal costruttore, in funzione dellapressione preliminare pv; nota Sv è perciòpossibile risalire facilmente a SR.
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Il valore massimo che SR può assumere è datodalla velocità teorica o normale della pompa, St definita come prodotto del numero di giri al minuto compiuti dai rotori (n) e del volume operativo della pompa (Vs);
cioè St; = n Vs.
Il rapporto tra la velocità effettiva (SR) e quellateorica (St) è denominato____________________________ dellapompa ed è spesso dato dal costruttore in funzione di py, come un parametrocaratteristico della pompa stessa.
Il ______________________ che puòassumere KR, cioè il massimo rapporto dicompressione, è dato da pv/pp quando la velocità di pompaggio effettiva è zero. I valoridi KR massimo (KRM) in funzione di py sono i parametri più comunemente dati per caratterizzare una pompa Roots.
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Se si vuole determinare la pressione limite ottenibile con una combinazione di unapompa preliminare chepermette di ottenere unapressione finale pari a pvl ed una pompa Roots di cui è notoil valore di KRM alla pressionepyl basterà applicare la semplice relazione:
pl = pyl /KRM
Tipico esempio di andamento di KRM in funzione di pv
dove pl è il valore della pressione limite all'imboccatura diingresso (rispetto al sistema da vuoto) della pompa Roots.
Dipendenza del rapporto KRM delle pompe Roots, in funzione della pressione preliminare pV. I dati riguardanoaria ed elio
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Pompe a secco a lobi rotanti
Vi sono applicazioni industriali, un vuoto esente da______________, o vuoto pulito, è critico per la riuscita del processo. Nella ricerca, il vuoto "pulito" è richiestoprincipalmente nelle grandi macchine per la fisica delleparticelle o per la _____________.
Sono stati recentemente sviluppati diversi tipi di pompe a secco, basate su rotori non lubrificati e senza contatto, cheevitano, o abbassano notevolmente, l'inquinamento daidrocarburi dei processi e che non producono, quando sonoutilizzate in processi altamente inquinanti, liquidicontaminati da smaltire.
Confrontate con le pompe a olio, le pompe a secco hannoi seguenti vantaggi:
- non vi sono ______________________________,- non vi sono ______________________________,- non vi sono ______________________________.
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Lo svantaggio principale, a parità di
portata, è _____________________;
una pompa a secco può facilmente
arrivare a costare quattro volte più della
corrispondente a olio e quindi vi deve
essere una motivazione precisa per la
sua scelta come l'utilizzo in processi
altamente ___________ o il pompaggio
di solventi organici.
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Le pompe a secco, utilizzate in applicazioni
gravose nelle industrie di processo, hanno le
seguenti caratteristiche:
- tollerano ______________________,
- hanno una buona _______________________,
- sono ________________________________,
- sono _____________________________,
- sono _____________________________
Le pompe a secco attualmente più progredite e
utilizzate sono:
• pompe ____________ multistadio,
• pompe a ____________,
• pompe ______ o combinazioni ___________.
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Pompe con meccanismo Roots multistadio
Per passare da ________________ a unapressione di circa 0,05 Pa, tutte le pompe cheutilizzano un meccanismo tipo Roots necessitano di almeno _____________ chepossono essere sia _______________ su un unico albero, quindi in un'unica pompa, siaformati da tre pompe separate e collegate in serie in un ____________________.
Il _______________________ è una potenziale fonte di problemi per tutte le pompe Roots. Il calore creato in ogni fase di compressione viene ______________________ e allo statore. Il fenomeno viene accentuato dalla retroespansione del gas, alla pressione di scarico del tubo di scarico, alla camera di pompaggio dove subisce una ulteriore compressione con conseguente _____________________.
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Una soluzione adottata per ovviare a questo problema consiste nel _____________________ in modo controllato il gas allo scarico, utilizzando uno __________________________ raffreddato ad acqua. Il fenomeno di retroespansione del gas nella camera di pompaggio dopo il raffreddamento è un buon metodo di raffreddamento dei rotori.
Nella maggior parte dei meccanismi il gas raffreddato è volutamente reinserito negli stadi precedenti e miscelato con il nuovo gas pompato all'interno della pompa per aiutare il processo di raffreddamento.
Questi dispositivi eliminano circa 1'80% del calore generato dalla potenza del motore; il resto viene dissipato nell'ambiente.
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Pompe con meccanismo a uncino (Claw)
A differenza del Roots, il meccanismo a Claw è un vero e proprio compressore che puòscaricare a pressione atmosferica, senzaraffreddamenti sullo scarico o valvole by-pass. I rotori a Claw, senza contatto, sono cilindrici per quasi tutta la loro circonferenza, con unaprofonda depressione seguita da un "uncino" sporgente su di un quadrante.
Durante la fase di rotazione l'uncino entra nelladepressione del rotore accoppiato e viceversa. L'ingresso e l'uscita del meccanismo sono postiassialmente anziché radialmente come nellepompe Roots.
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Mentre ___________________ ruotano, il gas entra attraverso una porta di ingresso allineataalla cavità di uno dei due rotori. La rotazionecontinua chiude l'ingresso mentre__________________ comprime il volume del gas fino a quando la cavità del secondo rotoremostra l'uscita o la porta di scarico.
Il meccanismo è quindi____________________________. Un volume minimo resta all'interno della camera ed ètrasportato nel ciclo successivo di pompaggio.
Per passare da pressione atmosferica a unapressione __________________________, ilmeccanismo a Claw richiede ______________ alloggiati in un corpo pompante.
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La compressione più efficiente del gas pompatocon il meccanismo a Claw significa che la porzione di potenza del motore utilizzata per la compressione del gas, invece che per il suoriscaldamento, è superiore a quella fornita dalmeccanismo Roots meno efficiente.
Il meccanismo a Claw ha la capacità diraggiungere _________________________ ad _________________. A 100 Pa è possibileraggiungere un rapporto di 50:1 mentreall'atmosfera tipico è un rapporto di 25:1.
Il meccanismo Roots, che può raggiungere un rapporto di compressione di 25:1 con 100 Pa alloscarico ha, per contro, una conduttanzacomparativamente migliore, mostrando unacapacità di pompaggio per pressioni inferiori.
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Esistono pompe che utilizzanola __________________________________________________________________________ per raggiungerepressioni attorno a 10 Pa e altreche combinano tre stadi Claw e uno Roots e che sono in grado diraggiungere ______________
_________________________________________
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Pompe a secco a membrana e scroll
Sono pompe a portata limitata (Impiegate per pompaggi particolarmente puliti?!?)
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Pompa a membrana
La pompa a membrana sfrutta la flessibilità diun diaframma operato da un pistone che, con un _________________________________________________________________, genera unacompressione e una aspirazione intermittenti. Queste pompe, nella versione a più stadi, possono raggiungere _________ Pa.
Tale pressione consente di accoppiarle a pompe turbomolecolari con stadio drag o a pompe molecolari, realizzando piccoli sistemi damedio e alto vuoto senza____________________________.
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Pompe scroll
La pompa scroll è una pompa che sfrutta la compressione via via crescente che un volume d'aria subisce per riduzione progressiva del condotto a spirale ottenuto da_______________________________________.
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Una delle due chiocciole, detta ____________, è ferma, mentre l'altra, il________________, opera un movimento rototraslatorio di 5 mm per ciclo. Il gas viene condotto dall'ingressodella pompa, posto sulla prima spirale dellostatore, verso il centro della chiocciola (statore) che coincide con _________________.
La pressione raggiunta da una pompa scroll èinferiore a 0,8 Pa.
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________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
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Pompe turbomolecolari
Le pompe molecolari sono basate su un principio indicato da Gaede già nel 1913secondo il quale le molecole o gli atomidi gas da pompare, quando urtano unasuperficie ________________________ ______________________________ in condizione di prevalenti urti contro le pareti (cioè a basse pressioni), ricevonoun impulso in modo da muoversi in unadirezione specifica (quella secondo cui simuove la superficie urtata) e si ha quindiun flusso di gas in questa stessadirezione.
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Una pompa turbomolecolare è costituita da uno______________ (1) e da un ______________ (2) con albero munito di dischi che sono disposti a piccola distanza (in genere < 1 mm) da altri dischie solidali con lo statore.
Il rotore gira a elevatissima velocità rispetto allostatore, compiendo fino a 60.000 giri al minuto.
Il gas aspirato all'imboccatura (3) d'ingresso vieneperciò "trascinato" verso uno sbocco (4) collegatoa una pompa preliminare che provvede a espellerlodefinitivamente nell'atmosfera.
Il rapporto tra ___________________________ della pompa e _________________________ (cioè in pratica nel sistema da vuoto) rappresenta il rapporto di compressione ottenibile e dipende dalla velocità di rotazione dell'albero, dal volume libero tra i dischi, dal tipo di gas.
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Andamento del ______________________________ per alcuni gas in funzione della ______________________ dell'albero di una pompa turbomolecolare con unapressione allo scarico mantenuta a 10 Pa [pompa con velocità di pompaggio nominale di 4250 L/s; da W. Becker, Vak. Tech., 10 (1961) 199].
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Tipico andamento delle velocità di pompaggio per ______________________________, in funzionedella pressione, in una pompa turbomolecolare.
________________________________________________________________________________________________________________________________________________
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Ceramic is lighter, harder smoother and ______________________________________.
So a ceramic ball bearing can run faster, hotterand __________________________________
Then any steel ball bearing. The ___________________________________________________________________ is critical
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I rapporti di compressione ottenibili in generegiungono fino a 108 per aria e a 103 per idrogeno.La velocità di pompaggio di queste pompe si mantiene _______________________________ in un ampio intervallo di pressioni (da circa 10-1
Pa a 10-7 ÷ 10-8 Pa) per aria mentre diminuisce rapidamente per idrogeno al di sotto di 10-6 Pa.
