Dispensa lab 3 pompe meccaniche_parte 3

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Dispensa lab 3 pompe meccaniche_parte 3

  1. 1. Università degli Studi di Padova Corso di laurea in Scienza dei Materiali Modulo di “Tecniche di Vuoto e Film Sottili” prof. V. Palmieri www.surfacetreatments.org Superconductivity Lab - Laboratori Nazionali di Legnaro Istituto Nazionale Fisica Nucleare - Viale dell'Universita', 2 35020 Legnaro (PADOVA) - ITALY Produzione del Vuoto: Pompe Meccaniche Dispensa 1 - Parte 3
  2. 2. Prof. V. Palmieri_ UniPD 47 Pompe Roots Questo tipo di pompe meccaniche ha una apprezzabile applicazione nel campo dei bassi e medi vuoti, soprattutto allorché si debba trasferire _____________ di gas. Le pompe Roots operano normalmente in combinazione con ______________, per esempio, del tipo rotativo; si possono così raggiungere pressioni limite dell'ordine di ________ Pa e anche minori.
  3. 3. Prof. V. Palmieri_ UniPD 48 Generalmente le pompe Roots sono messe in funzione quando la pressione è già stata diminuita dalla pompa preliminare fino a meno di 100 Pa. Il vuoto preliminare richiesto può essere anche peggiore e, per esempio, di qualche centinaio di pascal; in queste condizioni si possono verificare, però, eccessivi surriscaldamenti e riflusso di gas verso il sistema da vuotare. La pompa Roots è costituita essenzialmente da due ____________ a forma approssimativamente di _________, rotanti in senso opposto in una camera connessa da una parte al sistema da vuoto e dall'altra alla pompa preliminare. I rotori _______________________________________, né ____________________________________; il gioco tra i rotori e la parete e tra rotore e rotore è di alcuni ________________________ o meno; in tale modo il movimento dei rotori avviene __________________________ e senza necessità di ____________________.
  4. 4. Prof. V. Palmieri_ UniPD 49 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)
  5. 5. Prof. V. Palmieri_ UniPD 50 Il rapporto di compressione ottenibile dipende dal gioco tra i rotori e tra rotori e parete della camera; esso dipende anche dalla pressione prodotta dalla pompa preliminare e raggiunge un massimo per pressioni comprese tra_________________ ________________________. Con un pompa Roots a uno stadio si può, per esempio, raggiungere rapporti di compressione dell'ordine di ___________, a una pressione preliminare di 133 Pa, mentre essi scendono intorno a 15: 1, a una pressione preliminare di _____________.
  6. 6. Prof. V. Palmieri_ UniPD 51 La velocità di pompaggio effettiva e la pressione limite di una pompa Roots dipendono 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).
  7. 7. Prof. V. Palmieri_ UniPD 52 Il rapporto pv/pR = KR rappresenta il rapporto di compressione della pompa Roots. La velocità di pompaggio effettiva della pompa Roots potrà perciò essere scritta, utilizzando l'equazione di continuità sopra citata, nel modo seguente: SR = KR · Sv. I fattori di compressione sono generalmente forniti dal costruttore, in funzione della pressione preliminare pv; nota Sv è perciò possibile risalire facilmente a SR.
  8. 8. Prof. V. Palmieri_ UniPD 53 Il valore massimo che SR può assumere è dato dalla 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 quella teorica (St) è denominato ____________________________ della pompa ed è spesso dato dal costruttore in funzione di py, come un parametro caratteristico della pompa stessa. Il ______________________ che può assumere KR, cioè il massimo rapporto di compressione, è dato da pv/pp quando la velocità di pompaggio effettiva è zero. I valori di KR massimo (KRM) in funzione di py sono i parametri più comunemente dati per caratterizzare una pompa Roots.
  9. 9. Prof. V. Palmieri_ UniPD 54 Se si vuole determinare la pressione limite ottenibile con una combinazione di una pompa preliminare che permette di ottenere una pressione finale pari a pvl ed una pompa Roots di cui è noto il valore di KRM alla pressione pyl 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 di ingresso (rispetto al sistema da vuoto) della pompa Roots. Dipendenza del rapporto KRM delle pompe Roots, in funzione della pressione preliminare pV. I dati riguardano aria ed elio
  10. 10. Prof. V. Palmieri_ UniPD 55 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 richiesto principalmente nelle grandi macchine per la fisica delle particelle o per la _____________. Sono stati recentemente sviluppati diversi tipi di pompe a secco, basate su rotori non lubrificati e senza contatto, che evitano, o abbassano notevolmente, l'inquinamento da idrocarburi dei processi e che non producono, quando sono utilizzate in processi altamente inquinanti, liquidi contaminati da smaltire. Confrontate con le pompe a olio, le pompe a secco hanno i seguenti vantaggi: - non vi sono ______________________________, - non vi sono ______________________________, - non vi sono ______________________________.
  11. 11. Prof. V. Palmieri_ UniPD 56 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.
  12. 12. Prof. V. Palmieri_ UniPD 57 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 ___________.
  13. 13. Prof. V. Palmieri_ UniPD 58
  14. 14. Prof. V. Palmieri_ UniPD 59
  15. 15. Prof. V. Palmieri_ UniPD 60
  16. 16. Prof. V. Palmieri_ UniPD 61 Pompe con meccanismo Roots multistadio Per passare da ________________ a una pressione di circa 0,05 Pa, tutte le pompe che utilizzano un meccanismo tipo Roots necessitano di almeno _____________ che possono essere sia _______________ su un unico albero, quindi in un'unica pompa, sia formati 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 _____________________.
  17. 17. Prof. V. Palmieri_ UniPD 62 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.
  18. 18. Prof. V. Palmieri_ UniPD 63 Pompe con meccanismo a uncino (Claw) A differenza del Roots, il meccanismo a Claw è un vero e proprio compressore che può scaricare a pressione atmosferica, senza raffreddamenti sullo scarico o valvole by-pass. I rotori a Claw, senza contatto, sono cilindrici per quasi tutta la loro circonferenza, con una profonda depressione seguita da un "uncino" sporgente su di un quadrante. Durante la fase di rotazione l'uncino entra nella depressione del rotore accoppiato e viceversa. L'ingresso e l'uscita del meccanismo sono posti assialmente anziché radialmente come nelle pompe Roots.
  19. 19. Prof. V. Palmieri_ UniPD 64 Mentre ___________________ ruotano, il gas entra attraverso una porta di ingresso allineata alla cavità di uno dei due rotori. La rotazione continua chiude l'ingresso mentre __________________ comprime il volume del gas fino a quando la cavità del secondo rotore mostra l'uscita o la porta di scarico. Il meccanismo è quindi ____________________________. Un volume minimo resta all'interno della camera ed è trasportato nel ciclo successivo di pompaggio. Per passare da pressione atmosferica a una pressione __________________________, il meccanismo a Claw richiede ______________ alloggiati in un corpo pompante.
  20. 20. Prof. V. Palmieri_ UniPD 65
  21. 21. Prof. V. Palmieri_ UniPD 66
  22. 22. Prof. V. Palmieri_ UniPD 67
  23. 23. Prof. V. Palmieri_ UniPD 68
  24. 24. Prof. V. Palmieri_ UniPD 69
  25. 25. Prof. V. Palmieri_ UniPD 70 La compressione più efficiente del gas pompato con il meccanismo a Claw significa che la porzione di potenza del motore utilizzata per la compressione del gas, invece che per il suo riscaldamento, è superiore a quella fornita dal meccanismo Roots meno efficiente. Il meccanismo a Claw ha la capacità di raggiungere _________________________ ad _________________. A 100 Pa è possibile raggiungere un rapporto di 50:1 mentre all'atmosfera tipico è un rapporto di 25:1. Il meccanismo Roots, che può raggiungere un rapporto di compressione di 25:1 con 100 Pa allo scarico ha, per contro, una conduttanza comparativamente migliore, mostrando una capacità di pompaggio per pressioni inferiori.
  26. 26. Prof. V. Palmieri_ UniPD 71 Esistono pompe che utilizzano la _____________________ _____________________ _____________________ ___________ per raggiungere pressioni attorno a 10 Pa e altre che combinano tre stadi Claw e uno Roots e che sono in grado di raggiungere ______________ ____________________ _____________________
  27. 27. Prof. V. Palmieri_ UniPD 72 Pompe a secco a membrana e scroll Sono pompe a portata limitata (Impiegate per pompaggi particolarmente puliti?!?)
  28. 28. Prof. V. Palmieri_ UniPD 73 Pompa a membrana La pompa a membrana sfrutta la flessibilità di un diaframma operato da un pistone che, con un _______________________________________ __________________________, genera una compressione 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 da medio e alto vuoto senza ____________________________.
  29. 29. Prof. V. Palmieri_ UniPD 74
  30. 30. Prof. V. Palmieri_ UniPD 75 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 _______________________________________.
  31. 31. Prof. V. Palmieri_ UniPD 76 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'ingresso della pompa, posto sulla prima spirale dello statore, verso il centro della chiocciola (statore) che coincide con _________________. La pressione raggiunta da una pompa scroll è inferiore a 0,8 Pa.
  32. 32. Prof. V. Palmieri_ UniPD 77
  33. 33. Prof. V. Palmieri_ UniPD 78
  34. 34. Prof. V. Palmieri_ UniPD 79
  35. 35. Prof. V. Palmieri_ UniPD 80
  36. 36. Prof. V. Palmieri_ UniPD 81
  37. 37. Prof. V. Palmieri_ UniPD 82
  38. 38. Prof. V. Palmieri_ UniPD 83
  39. 39. Prof. V. Palmieri_ UniPD 84
  40. 40. Prof. V. Palmieri_ UniPD 85
  41. 41. Prof. V. Palmieri_ UniPD 86
  42. 42. Prof. V. Palmieri_ UniPD 87
  43. 43. Prof. V. Palmieri_ UniPD 88
  44. 44. Prof. V. Palmieri_ UniPD 89 ________________________________________ ________________________________________ ________________________________________ ________________________________________ ________________________________________
  45. 45. Prof. V. Palmieri_ UniPD 90
  46. 46. Prof. V. Palmieri_ UniPD 91 Pompe turbomolecolari Le pompe molecolari sono basate su un principio indicato da Gaede già nel 1913 secondo il quale le molecole o gli atomi di gas da pompare, quando urtano una superficie ________________________ ______________________________ in condizione di prevalenti urti contro le pareti (cioè a basse pressioni), ricevono un impulso in modo da muoversi in una direzione specifica (quella secondo cui si muove la superficie urtata) e si ha quindi un flusso di gas in questa stessa direzione.
  47. 47. Prof. V. Palmieri_ UniPD 92
  48. 48. Prof. V. Palmieri_ UniPD 93
  49. 49. Prof. V. Palmieri_ UniPD 94 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 dischi e solidali con lo statore. Il rotore gira a elevatissima velocità rispetto allo statore, compiendo fino a 60.000 giri al minuto. Il gas aspirato all'imboccatura (3) d'ingresso viene perciò "trascinato" verso uno sbocco (4) collegato a una pompa preliminare che provvede a espellerlo definitivamente 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.
  50. 50. Prof. V. Palmieri_ UniPD 95
  51. 51. Prof. V. Palmieri_ UniPD 96
  52. 52. Prof. V. Palmieri_ UniPD 97 Andamento del ______________________________ per alcuni gas in funzione della ______________________ dell'albero di una pompa turbomolecolare con una pressione allo scarico mantenuta a 10 Pa [pompa con velocità di pompaggio nominale di 4250 L/s; da W. Becker, Vak. Tech., 10 (1961) 199].
  53. 53. Prof. V. Palmieri_ UniPD 98 Tipico andamento delle velocità di pompaggio per ______________________________, in funzione della pressione, in una pompa turbomolecolare. ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________
  54. 54. Prof. V. Palmieri_ UniPD 99
  55. 55. Prof. V. Palmieri_ UniPD 100 Ceramic is lighter, harder smoother and ______________________________________. So a ceramic ball bearing can run faster, hotter and __________________________________ Then any steel ball bearing. The ______________________________________ _____________________________ is critical
  56. 56. Prof. V. Palmieri_ UniPD 101
  57. 57. Prof. V. Palmieri_ UniPD 102
  58. 58. Prof. V. Palmieri_ UniPD 103
  59. 59. Prof. V. Palmieri_ UniPD 104
  60. 60. Prof. V. Palmieri_ UniPD 105 I rapporti di compressione ottenibili in genere giungono 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.

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