Modulo di “Tecniche

Vuoto e film sottili”

Dispensa 4

Pompe a Fluido Motore

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Università degli Studi di Padova

Corso di Laurea in Scienza dei Materiali

1Prof. V. Palmieri

Pompe a fluido motore

Nelle pompe a fluido motore, è sempre

presente _____________________________

________________ che, nel suo rapido

movimento trascina con sé _______________

______________________________________

• scaricandole nell‟atmosfera esterna

• comprimendole verso una zona dalla

quale vengono ____________________

__________________________________

________________________________.

______________________________________

______________________________________

______________________________________

_____________________________________

Esistono diversi tipi di pompe a fluido

motore, sia nel campo dei bassi e medi vuoti

che nel campo degli ultra-vuoti2Prof. V. Palmieri

Pompe a eiezione

Quando un _____________________________________________

________________________________________ viene fatto

passare a elevata velocità nella camera (1) (collegata al sistema da

vuoto) attraverso l'ugello (2), esso si espande e acquista velocità in

relazione alla geometria dell'ugello e alla caduta di pressione subita.

Il flusso di fluido risulta così possedere velocità tale da dare luogo

ad un elevato trasferimento di ____________________________ tra

le particelle di fluido e le molecole del gas da pompare con velocità

nella direzione del moto del fluido.

Le molecole di gas vengono perciò trascinate dal fluido verso il

diffusore (3) dove il gas viene compresso e scaricato

______________________________________________________ .

3Prof. V. Palmieri

Il fluido motore viene a questo punto condensato e

recuperato nell„ ___________________ donde viene

nuovamente vaporizzato e rimesso in ciclo, se si tratta di

vapore di olio, di mercurio o di acqua.

Se il fluido motore è costituito da acqua liquida esso viene

scaricato direttamente nell'atmosfera, evitando così l'uso

________________________________________. Anche

se come fluido motore si usa vapore d'acqua avviene

spesso lo scarico direttamente nell'atmosfera.

Se il fluido motore è invece costituito da vapori di olio o di

mercurio, la pompa a eiezione richiede sempre una pompa

preliminare per ovvie ragioni di costo, sicurezza e

reattività del fluido con l'atmosfera esterna.

Il rapporto v/u = Ma è detto numero di Mach;

______________________________________

______________________________________

______________________________________

______________________________________

______________________________________4Prof. V. Palmieri

Nelle pompe a eiezione a ________che scaricano

direttamente nell‟atmosfera, si può arrivare a 3

Mach. Se si dispongono più pompe a eiezione in

serie si può arrivare fino a (9 ÷ 11) Mach.

Pompe ad eiezione operano generalmente a 1,98 Mach

Si possono produrre vuoti dell'ordine di (10 ÷ 1)

Pa, se si usa vapore d'acqua, e fino a 10-2 se si

usano vapori di olio o mercurio.

Quando la pressione diminuisce, il libero

cammino medio delle molecole gassose cresce e i

________________ diventano sempre più deboli

e pertanto il trascinamento del gas è sempre più

dovuto alla sua diffusione nel getto di fluido;

In queste condizioni diventa però difficile per il

fluido ________________________ le molecole

del gas e si raggiunge perciò un limite nella

capacità delle pompe a eiezione di asportare gas.5Prof. V. Palmieri

Se si vuole migliorare il vuoto finale

raggiungibile occorre aumentare la probabilità

di cattura delle molecole di gas da parte dei

vapori utilizzando una struttura diversa rispetto

a quella usata nelle pompe a eiezione.

Le pompe a eiezione sono particolarmente

usate in impianti industriali ove si richiedono

_____________________ e sono in gioco

___________________________da pompare.

Le pompe a eiezione utilizzanti acqua o

vapore d'acqua possono essere anche usate

come pompe preliminari, con il vantaggio di

non introdurre idrocarburi nel sistema da vuoto.

6Prof. V. Palmieri

Pompe a diffusione(vuoti dell'ordine di 10-7 Pa - 10-8 Pa).

Sul fondo della pompa (ebollitore) si trova il fluido motore (1) (olio

o Hg) il quale viene riscaldato mediante un opportuno fornello

elettrico (2) in modo che i vapori prodotti salgano lungo il camino

(3) verso l'ugello (4) attraverso il quale escono "a ombrello" con

grande velocità (supersonica).

7Prof. V. Palmieri

Il gas da pompare, che penetra nella pompa

attraverso l'imboccatura, viene così trascinato e

compresso dai vapori verso la parte inferiore della

pompa dove è disposta l'apertura di scarico,

collegata a ____________________________ che

provvede a trasferire il gas nell'atmosfera esterna.

I vapori di gas che lasciano l'ugello e urtano le

pareti della pompa vengono _______________ per

effetto del raffreddamento delle pareti della

pompa, ottenuto, per esempio, mediante una

camicia a circolazione d'acqua.

I vapori condensati scivolano verso

_________________ della pompa dove avviene di

nuovo il riscaldamento e ricomincia così il ciclo.

8Prof. V. Palmieri

Le pompe a diffusione necessitano sempre di

_________________________________ che sia

in grado di ridurre la pressione nel sistema da

vuoto a (10 ÷ 1) Pa poiché a pressioni maggiori

la distribuzione del getto di vapore all'uscita

dell'ugello viene alterata dal gas e la velocità di

pompaggio della pompa a diffusione decresce

sensibilmente fino a diventare praticamente nulla.

Inoltre, se le pompe a diffusione vengono fatte

operare a pressioni relativamente elevate, i fluidi

usati _________________________________,

alla temperatura di funzionamento della pompa,

con il gas da pompare: si ha così un più o meno

rapido deterioramento del fluido motore e quindi

del funzionamento della pompa stessa.

9Prof. V. Palmieri

Sono tipiche le incrostazioni dovute a questa

ragione, che si manifestano nelle pompe a

diffusione di olio che hanno lavorato troppo

tempo a pressioni relativamente alte ( 10Pa) o

dopo __________________________________.

Le pompe a diffusione operano, quindi,

generalmente in condizione di regime

_____________________________ . In queste

condizioni il numero massimo di molecole che

per unita di tempo possono penetrare nella pompa

è proporzionale all'area della sezione d‟imbocco

della pompa stessa (di raggio r).

Se tutte queste molecole venissero catturate dal

getto di vapori ed eliminate attraverso la pompa

preliminare la velocità di pompaggio della pompa

a diffusione sarebbe la massima possibile, ovvero

corrisponderebbe alla velocità di pompaggio

teorica (St). 10Prof. V. Palmieri

In pratica non tutte le molecole che per unità di tempo

attraversano la sezione circolare di area r2 sono catturate

dal getto di vapore, bensì solo una frazione, in genere

compresa tra il __________________________ . Le altre

molecole ritornano verso la zona da evacuare. Il rapporto

tra il numero di molecole che vengono catturate e pompate

e quello totale delle molecole che attraversano la sezione

d'imbocco ovvero il rapporto tra la velocità di pompaggio

reale S della pompa e quella teorica S, è denominato fattore

HO ed è solitamente indicato come parametro

caratterizzante _________________________________

______________________________________________.

La velocità di pompaggio reale S di una pompa a

diffusione, oltre che dalle dimensioni dell'ugello e del

corpo della pompa, dipende dalla massa molecolare del gas

da pompare, dalla geometria dell'ugello, dalla tensione di

vapore dell'olio, della pressione preliminare (pressione

nella camera prima del collegamento alla pompa a

diffusione).

11Prof. V. Palmieri

La velocità di pompaggio reale S di una pompa a

diffusione, oltre che dalle dimensioni dell'ugello

e del corpo della pompa, dipende dalla massa

molecolare del gas da pompare, dalla geometria

dell'ugello, dalla tensione di vapore dell'olio,

della pressione preliminare (pressione nella

camera prima del collegamento alla pompa a

diffusione).

Essenzialmente a causa della tensione di vapore

del fluido motore e della degassazione prodotta

dalle parti calde della pompa. Per raggiungere i

vuoti più spinti è necessario utilizzare opportune

trappole di vapori

12Prof. V. Palmieri

La velocità di pompaggio è maggiore per i gas leggeri

che per quelli pesanti e per esempio per i gas più leggeri

(He e H2) essa risulta solitamente superiore del 10% ÷

20% rispetto all'aria.

Alcune volte si manifestano _____________________

_____________________________, le cui cause

possono essere interne alla pompa oppure esterne. Le

cause interne di instabilità sono essenzialmente legate:

1) a ebollizione irregolare:

2) all'ebollizione del fluido motore al di fuori

dell'ebollitore;

3) alla presenza di goccioline di fluido motore nell'ugello;

4) a perdite in prossimità dell'ebollitore.

Le cause esterne sono invece spesso legate:

1) a bolle di gas originate dalle guarnizioni di tenuta;

2) a caduta di goccioline di fluido condensato nelle

trappole di vapori;

3) all'elevata pressione preliminare;

4) alla diminuzione di livello del liquido refrigerante

usato nelle trappole.

13Prof. V. Palmieri

Per rendere elevato il fattore HO, e quindi la velocità di

pompaggio di una pompa a diffusione, viene in pratica realizzata

una disposizione a più ___________________ (in genere fino a 4)

Pompa a diffusione a più

stadi.

1. Riscaldatore,

2. Ebollitore,

3. Corpo della pompa,

4.Serpentine di

raffreddamento,

5. Flangia di connessione al

sistema da vuoto,

6. Molecola di gas,

7. Getto di vapore,

8. Tubo di collegamento al

vuoto preliminare.

A ÷ D Ugelli.

__________________

__________________

__________________

__________________

__________________

__________________

__________________

__________________

__________________

__________________14Prof. V. Palmieri

Una disposizione più raffinata studiata da Hablanian e che

migliora il fattore HO, a parità di altre condizioni, rispetto alla

pompa a corpo cilindrico è quella m cui il corpo della pompa

assume una __________________________a livello del 1° stadio

15Prof. V. Palmieri

______________________________________

______________________________________

______________________________________

______________________________________

______________________________________

______________________________________16Prof. V. Palmieri

17Prof. V. Palmieri

18Prof. V. Palmieri

19Prof. V. Palmieri

20Prof. V. Palmieri

21Prof. V. Palmieri

22Prof. V. Palmieri

Fluidi motore

Come fluidi motore per pompe a diffusione

sono generalmente usati oli appositi (a

______________________________________) e

talvolta anche mercurio.

La scelta del fluido motore deve essere

effettuata in base alla pressione limite che si

desidera ottenere, alla resistenza, alla

__________________________________,

all'inerzia chimica rispetto ai gas da pompare, alla

composizione ammessa del gas residuo (privo o

meno di tracce di idrocarburi).

Il mercurio è un fluido motore che è utile in

applicazioni particolari; esso infatti non "inquina"

il sistema con idrocarburi e permette quindi di

ottenere "vuoti puliti". Inoltre il mercurio non si

decompone durante l'evaporazione e non si ossida

fortemente in caso di ______________________.

23Prof. V. Palmieri

Il Mercurio presenta i seguenti seri

inconvenienti:

1) una tensione di vapore relativamente alta ( 10-

1 Pa a temperatura ambiente) per cui è sempre

richiesto l'uso di opportune trappole di vapori

raffreddate alla temperatura dell'azoto liquido;

2) nocività per la salute per cui richiede

particolare cura;

3) incompatibilità con alcuni materiali

strutturali (oro, rame, iridio, alluminio, ecc.) con il

rischio di formazione di amalgama.

In conseguenza degli inconvenienti presentati

dal mercurio, come fluido motore, si preferisce

normalmente usare oli speciali.

L'uso del mercurio viene perciò di solito

riservato ad applicazioni particolari in cui sono

richiesti vuoti esenti da idrocarburi.24Prof. V. Palmieri

Attualmente sono disponibili diversi tipi di oli la cui scelta è legata al

tipo di pompa a diffusione e alla pressione finale che si intende

raggiungere. Evidentemente, le pressioni limite più basse sono

raggiungibili con oli che presentano bassissime tensioni di vapore.

Occorre però anche tenere presente la resistenza termica e chimica che

può variare da olio a olio.

25Prof. V. Palmieri

I vantaggi degli oli rispetto al mercurio possono riassumersi

come segue:

1) sono disponibili con tensioni di vapore molto basse (pari

anche a 7,7 · 10-8 Pa a temperatura ambiente);

2) in molti sistemi da vuoto (medio-alto vuoto) possono

essere usati senza che sia necessario adottare trappole

per vapori;

3) hanno peso molecolare superiore a quello del mercurio e

quindi possono fornire una quantità di moto maggiore

alle molecole di gas dando luogo a una elevata velocità

di pompaggio;

4) non sono tossici;

5) sono inerti rispetto ai normali materiali strutturali usati

nei sistemi da vuoto.

26Prof. V. Palmieri

Andamento della velocità di pompaggio di una

pompa a diffusione (E 04, Edwards) in funzione

della pressione, con diversi tipi di oli

27Prof. V. Palmieri

Gli oli presentano però anche qualche

inconveniente che è opportuno ricordare:

1) sono costituiti da molecole complesse che si

possono decomporre anche nelle normali

condizioni di uso e specialmente alle più

alte temperature.

2) Si decompongono in presenza di _________

______________________________________

___________________________________

_____________________________ e i

prodotti di decomposizione possono rendere

molto complessa la composizione del gas

residuo. Se la decomposizione avviene alla

superficie di parti di apparecchiature

elettriche si possono avere fenomeni di

perdita di isolamento.

3) Si decompongono e reagiscono se esposti,

caldi, all'aria.28Prof. V. Palmieri

Ebollizione e degassamento del fluido

motore

Affinché la pompa a diffusione presenti un

buon funzionamento è necessario che

l'ebollizione del fluido motore avvenga in modo

uniforme su tutta la superficie ed è perciò talvolta

introdotto nella pompa un opportuno agitatore

che, azionato dai vapori del fluido, tiene in

movimento il fluido stesso nell'ebollitore. Un

riscaldamento disuniforme può portare a

_______________________________________,

specialmente se si opera nel campo degli ultra

vuoti.

Occorre tenere anche presente che impurezze

provenienti dal sistema da vuoto possono

giungere alla pompa e mescolarsi al fluido

motore oppure possono essere già presenti in

esso. Può inoltre avvenire, se si usa olio come

fluido motore, che si formino dei prodotti volatili

di decomposizione.29Prof. V. Palmieri

In ogni caso tali impurezze o tali

componenti deteriori dell'olio possono

peggiorare notevolmente il grado di vuoto

finale raggiungibile se non si evita fin

dall'inizio che raggiungano il sistema da

vuoto. Per eliminare o limitare questo

inconveniente, molte pompe sono munite

di una "zona di degassazione", compresa

nel circuito del fluido motore e attraversata

da questo prima di rifluire nell'ebollitore:

in questa zona le componenti più volatili

delle impurezze vengono eliminate dal

fluido e fatte asportare dalla pompa

preliminare.

30Prof. V. Palmieri

La degassazione è realizzata mediante un'accurata

distribuzione delle temperature nella pompa. Il

fluido motore condensato, che rifluisce verso

l'ebollitore distribuendosi in una sottile pellicola

sulle pareti della pompa, è riscaldato in genere a

circa 130 °C al di sotto dell'ultimo stadio inferiore

della pompa prima di rientrare nell'ebollitore: le

componenti volatili vengono perciò separate dal

fluido ed eliminate attraverso la pompa

preliminare, prima che possano risalire verso il 1°

stadio della pompa e quindi entrare nel sistema da

vuoto, come avverrebbe se raggiungessero

l'ebollitore insieme al fluido motore.

31Prof. V. Palmieri

Pompa a diffusione a _____________________________.

1. Sezione centrale dell'ebollitore,

2. Sezione anulare intermedia,

3. Sezione anulare estema,

4. Cilindro di sud divisione dell'ebollitore.

Frazionamento dell'olio

Quando, come fluido motore, viene

utilizzato dell'olio, è opportuno

ricordare che esso può essere

costituito già dall'inizio da una

miscela di componenti a diverso

peso molecolare e con diversa

volatilità. Queste componenti

possono comunque prodursi durante

l'uso dell'olio nelle condizioni

operative normali. Per eliminare o

ridurre il più possibile gli effetti

negativi che questi componenti più

volatili possono, ovviamente,

procurare per quanto concerne la

pressione finale raggiungibile, sono

state realizzate pompe a diffusione

particolari, dette a ______________

_____________________________

32Prof. V. Palmieri

In queste pompe, attraverso opportuni passaggi

obbligati, l'olio proveniente dalle pareti, dove è

condensato dopo l'espansione dagli ugelli, entra

prima nella parte più esterna dell'ebollitore, che è

collegata allo stadio inferiore: qui evaporano le

componenti più volatili che rimangono così nella

parte inferiore della pompa e non raggiungono il

primo stadio da cui potrebbero invece più

facilmente passare nel sistema da vuoto.

Nella parte immediatamente più interna

dell'ebollitore giunge, invece, l'olio con le

componenti un po' meno volatili, che rimangono

però confinate nel ________________. E così via.

L'olio che giunge nella parte centrale

dell'ebollitore, collegata al primo stadio, risulta

così continuamente ______________________

dalle componenti più volatili che, come si è già

detto, se raggiungono il primo stadio superiore

possono rifluire nel sistema da vuoto impedendo il

raggiungimento di pressioni limite più basse e

"inquinando" il sistema con idrocarburi. 33Prof. V. Palmieri

Riflusso di vapori e migrazione degli oli

Se non vengono adottate speciali precauzioni,

una parte del vapore del fluido motore usato

nella pompa a diffusione può lasciare la pompa

stessa ed entrare nel sistema da vuoto, con

evidenti effetti deleteri sulla pressione finale

ottenibile.

Oltre a questo riflusso di vapori provenienti

direttamente dalle pompe, può anche verificarsi

una migrazione di olio dalla pompa al sistema da

vuoto, per effetto del crearsi di un sottilissimo

__________________________________ nelle

parti superiori della pompa.

Questo sottile strato di olio tende a espandersi

lungo le pareti, anche se molto lentamente, fino a

giungere nell'ambiente da vuotare.

34Prof. V. Palmieri

Nella figura, che rappresenta un particolare del primo

stadio di alcuni vecchi tipi di pompe a diffusione, si noti

come il vapore del fluido motore possa filtrare attraverso

il dado normalmente usato per fissare il deflettore e

passare quindi facilmente nel sistema in cui si deve fare il

vuoto.

Zone di origine del riflusso di vapori nel primo stadio di una

pompa a diffusione

Per eliminare o ridurre

sia il riflusso di vapori

sia la migrazione del

fluido motore esistono

schermi e trappole

La sorgente del

riflusso è

essenzialmente legata

all'ugello più alto della

pompa, che è in

collegamento diretto

con il sistema da vuoto

35Prof. V. Palmieri

Il getto turbolento di vapore uscente dall'ugello

può, inoltre, spingere alcune goccioline o molecole

di olio verso la bocca della pompa.

Infine il bordo inferiore esterno del deflettore viene

bagnato e coperto di fluido che può così evaporare

verso il sistema da vuoto (data la temperatura, in

genere superiore a 100 °C, a cui si trova l'ugello).

L‟ordine di grandezza del riflusso può essere tale

da risultare anche intorno a 10-5 g/min per cm2 di

superficie della bocca della pompa.

36Prof. V. Palmieri

Con opportune modifiche del primo stadio, si può

ridurre sensibilmente 1 ordine di grandezza del

riflusso di vapori fino a circa 10-10 g/min per cm2

di superficie della bocca della pompa.

Le modifiche consistono essenzialmente

nell'eliminare il dado di fissaggio del deflettore,

nello schermare superiormente questo deflettore

con una superficie raffreddata in modo da avere

un bordo ripiegato leggermente verso l'alto.

37Prof. V. Palmieri

Disposizioni del 1° stadio di una pompa a diffusione,

atta a ridurre il fenomeno del riflusso di vapori

38Prof. V. Palmieri

Particolari strutture di pompe a diffusione (per es.

del tipo detto DIFFSTAK; hanno ridotto talmente

il riflusso dell'olio (utilizzando inoltre oli a

bassissima tensione di vapore, come il Santovac

5) che l'uso di trappole ad azoto liquido può

essere evitato pur ottenendo vuoti "puliti"

39Prof. V. Palmieri

40Prof. V. Palmieri

41Prof. V. Palmieri

Schermi e trappole di vapori

Per raggiungere i vuoti più spinti con pompe che

utilizzano un fluido motore (sia olio sia

mercurio) occorre impedire o limitare il più

possibile sia ____________________________.

A tale scopo si introducono schermi e trappole

che permettano di raggiungere vuoti dell'ordine

di _________anche con pompe a diffusione.

Questi dispositivi vengono applicati tra la pompa

e il sistema da vuoto e sono realizzati in modo da

avere:

• sia una elevata efficienza nel bloccaggio

di vapori o dell‟olio in migrazione

superficiale

• sia riducendo il meno possibile la

velocità di pompaggio effettiva nel sistema

42Prof. V. Palmieri

Le trappole sono realizzate in modo

da impedire un "cammino diretto" di vapori dalla

pompa al sistema in cui si deve fare il vuoto e

quindi

da costringere i vapori a urtare almeno una volta

la superficie per farveli condensare sopra;

inoltre, data l'estensione e la forma delle superfici

interne di queste trappole, si ottiene l'interruzione

della migrazione superficiale dell'olio.

43Prof. V. Palmieri

Le trappole possono essere raffreddate

mediante circolazione d'acqua oppure per effetto

Peltier.

Utilizzando l'effetto Peltier si riesce a

raffreddare le superfici della trappola fino a circa

30 °C al di sotto del punto caldo; se il punto caldo

è raffreddato con acqua, la trappola può essere

raffreddata fino a circa –17 °C.

Le trappole possono essere "ad anelli

concentrici" (Ciascun anello o disco è in contatto

termico con il tubo in cui circola il liquido

refrigerante)

Oppure possono essere "a chevron" poiché sono

costituite da tanti piatti a forma di V disposti l'uno

dopo l'altro, trasversalmente rispetto all'asse della

pompa.

44Prof. V. Palmieri

Tipiche trappole per vapori provenienti da pompe

a diffusione

45Prof. V. Palmieri

Schema di un sistema di pompaggio costituito da

una pompa a diffusione + rotativa, dotato di

trappole per vapori d‟olio.

46Prof. V. Palmieri

Le pressioni nel campo degli ultra-vuoti sono però

raggiungibili solo con trappole raffreddate alla

temperatura dell'azoto liquido.

Le superfici raffreddate alla temperatura dell'azoto

liquido permettono una ___________________

_________________________dei vapori e

diminuiscono grandemente la tensione di vapore

del fluido motore usato.

Per mantenere costante il livello dell'azoto liquido

in queste trappole ed evitare quindi oscillazioni

della pressione limite, si usa spesso un sistema

automatico di caricamento dell'azoto liquido.

47Prof. V. Palmieri

48Prof. V. Palmieri

49Prof. V. Palmieri

50Prof. V. Palmieri

51Prof. V. Palmieri

Esistono trappole che non necessitano di

raffreddamento e che utilizzano le proprietà di

adsorbimento di materiali come zeoliti o allumine.

Su ripiani diversi disposti in successione sono

contenuti sferule o cilindretti di allumina o zeolite che

permettono di bloccare sia il riflusso di vapori sia la

migrazione superficiale dell'olio.

Queste trappole hanno una attività che può durare

anche diversi giorni; dopo un certo tempo, comunque,

il materiale adsorbente usato si satura e deve essere

cambiato o rigenerato con un trattamento termico in

vuoto o in aria, a temperatura compresa tra 250 °C e

400 °C.

Trappole di questo tipo, ma con un riempimento più

compatto di materiale adsorbente, sono anche usate

per bloccare i vapori di olio delle pompe rotative.

52Prof. V. Palmieri

53Prof. V. Palmieri