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 2

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SCHEMA COSTRUTTIVO E DI FUNZIONAMENTO DI UNA POMPA TROCOIDALE

W.G. Baechler, D. Knobloch, J. Vac. Sci. TechnoL, Voi. 9, No. 1 (1972) 402

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È una pompa meccanica volumetrica in cui il pistone ruotantenella camera operativa ha la forma di ipotrocoide.

Queste pompe possono avere velocità di pompaggio varie chepermettono pressioni limite analoghe a quelle ottenute con pompe rotative a palette o a pistone oscillante e hanno quindi lo stesso tipo di applicazioni.

Le pompe trocoidali sembrano però avere alcune caratteristichemigliorative quali:•maggiore compattezza, •grande capacità per l'olio, •notevole silenziosità, •velocità di pompaggio costante per un campo maggiore dipressioni.

SCHEMA COSTRUTTIVO E DI FUNZIONAMENTO DI UNA POMPA TROCOIDALE

W.G. Baechler, D. Knobloch, J. Vac. Sci. TechnoL, Voi. 9, No. 1 (1972) 402

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Aspirazione Compressione Combustione Espulsione

WANKEL Engine

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Il motore Wankel è assai più leggero di un equivalente a benzina, piùaffidabile perché più semplice, avendo meno parti in movimento ("ciò che non c'è, non si rompe"!), con assai meno vibrazioni (perché il moto ècircolare anziché lineare, girando solo rotore e albero motore!), con una risposta migliore (perché non soggetta al sistema delle valvole), meno inquinante (perché la combustione èpiù "fredda" e quindi rilascia una quantità minore di NOx) e perfino piùsilenzioso!

Col movimento del rotore nello statore, le 3 "camere", solidali con i 3 lati del rotore ma limitate dalla forma dello statore, cambiano posizione e volume: idealmente, sarebbe come avere 3 cilindri senza il limite del loro movimento lineare e della loro complessità meccanica!

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1. Engine Inlet

2. Exhaust Outlet

3. Housing

4. Combustion Chambers

5. Stationary Gear

6. Rotor

7. Internal Gear

8. Eccentric Shaft

9. Spark Plugs

Diagram of Wankel Engine.

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POMPE ROTATIVE:VELOCITÀ DI POMPAGGIO E

PRESSIONE LIMITE

La velocità di pompaggio di queste pompe in genere rimane quasi costante dalla pressioneatmosferica fino a (100 ÷ 1) Pa e quindi subisceun rapido calo fino al valore della pressionelimite, che in genere è intorno a 10–1 Pa.

La velocità di pompaggio per pompe rotativeè riferita normalmente alla ________________ ______________________________________.

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La pressione limite dipendeessenzialmente:

• dalla necessità di avere elevatissimi__________________________ (anche di 106) per scaricare il gas nell'atmosfera esterna,

• dai problemi di tenuta tra palette o pistone e ____________ in cui avviene _____________,

• dalla _____________________ dell'olio usato,

• dalla decomposizione dell'olio in composti più__________________,

• dalla perfetta ________ delle parti meccaniche,

• dalla ______________________ (dal momentoche le pompe operano in compressione) con conseguente impossibilità, o grande difficoltà, a eliminarli dal sistema da vuoto.

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Tipico andamento della velocità di pompaggio di unapompa rotativa, in funzione della pressione

——— senza zavorra d'aria; ------ con zavorra di aria

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Se le pompe rotative sono utilizzate in sistemi per alto vuoto è opportuno dotarle di adeguati _________________________ dei vapori d'olio ("trappole di vapori") costituiti essenzialmente da un contenitore con sferule di allumina ad alta superficie o zeoliti

L'effetto della “__________________" deivapori di olio verso il sistema da vuoto, in inglesedetto __________________è praticamentetrascurabile fino a pressioni di (100-10) Pa; a pressioni più basse diventa invece rilevante ed èappunto in queste condizioni che sarebbeopportuna l'entrata in funzione di trappole. L'usodella _________________ può portare a unariduzione della conduttanza tra pompa e sistemada vuoto e quindi della velocità di pompaggioeffettiva, quando si opera a pressioni minori di 10 Pa; a pressioni più elevate, dato il regime diflusso (intermedio o laminare) l'effetto, in tale senso, della trappola è invece trascurabile.

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La zavorra d'aria

Per effetto dell'elevata compressione cui sono sottoposti i gas pompati dalle pompe sopra descritte, avviene che questi gas siano liquefatti se sono condensabili alle temperature a cui si trovano nel volume operativo della pompa (in genere 60 °C ÷ 80 °C) allorché la pressione che essi raggiungono durante la compressione diventa uguale a quella di saturazione del vapore.

Tensione di vapore di alcuni comuni liquidi in funzione della temperatura

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Per rimediare a questo inconveniente, che è particolarmente importante quando le pompe sono impiegate in sistemi di distillazione sotto vuoto, è stato introdotto un semplice accorgimento detto:“__________________________________".

Esso consiste in una _______________________che permette l'immissione nella camera della pompa, prima che inizi la fase di compressione, di una quantitàdi aria esattamente dosata con una opportuna valvola in modo tale da ridurre sensibilmente il _____________________ (per esempio, a un massimo di 10:1).

Con questo rapporto di compressione, i vapori aspirati non potranno più condensare, purché la _____________________ di questi vapori non superi un certo valore che rappresenta la massima _________________________. Lo zavorratore d'aria introduce evidentemente una diminuzione della velocità di pompaggio di una pompa

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a) La pompa e in comunicazione con il recipiente ormai quasi privo di aria; essa deve quindi aspirare quasi esclusivamenteparticelle di vapore.

b) La camera della pompa è isolata dal recipiente. A questopunto si apre la valvola della __________________ e quindila camera di aspirazione si riempie d'aria fresca addizionaleche si mescola con il__________________.

c) Si apre la _____________________ e le particelle di vaporee aria vengono espulse: per effetto della zavorra d'aria la sovrapposizione necessaria e raggiunta come all'inizio del pompaggio e la _________________ è impedita.

d) La pompa continua a espellere ___________________.

Illustrazione del funzionamento di una pompa rotativa

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Se, per esempio, una pompa, il cui volume operativo è a 70 °C, deve aspirare del vapore acqueo, la compressione può esserespinta al punto in cui la pressione del vaporediventa uguale a 33320 Pa (tensione di vaporesaturo a 70 °C); se la compressione è superiore, il vapore acqueo ______________ in gocciolinesenza che la sua pressione possa aumentare e quindi raggiungere un valore sufficiente (≤ 1,01 ·105 Pa) per aprire la ___________________.

Il vapore rimane quindi nella pompa sotto forma di acqua, _________________ l'olio della pompastessa e impedendo lo svuotamento del sistemada evacuare; questa situazione può portare ancheal ______________________ della pompa dalmomento che vengono peggiorate anche le proprietà ________________ dell'olio.

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R. Thees ha determinato una adeguata relazioneper il calcolo della massima tensione di vaporeammissibile (pD) per il pompaggio di vapori, miscelati a gas permanenti o soli. Nel primo casola relazione è la seguente:

( )S

SLDLS

ppppp

−⋅+⋅−

5

5

10B/S10

B = ______________________(a 101 kPa) immessa in pompa per unità di tempoS = __________________ della pompapS = ______________________ alla temperatura diesercizio della pompapDL =___________________ presente nell'aria atmosferica, che viene introdotta come zavorra (assunto praticamentepari a 103Pa)pL = pressione parziale del gas permanente da pompare, alla _________________________.

pD =

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Se si tratta di pompare solo vapori,invece di una miscela di vapori e gas permanenti,

l'equazione diventa semplicemente:

( )S

DLS

ppp−

⋅−5

5

10B/S10

Se viene introdotta la zavorra d'aria (cioè B = 0), l'equazione diventa:

pD = pL · pS /(105 – pS)

Nel caso quindi in cui si debba pompare unamiscela di vapori e gas permanenti, l'introduzione della zavorra d'aria aumenta la massima tensione di vapore ammissibile del termine (B/S) · (pS – pDL)/(105 – pS)

pD =

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Senza zavorra d'aria è evidente che non èpossibile esercitare un'azione di pompaggio se ilgas da pompare è costituito solo da vapori dalmomento che pD = 0 (essendo pL = 0 e B = 0).

Se è necessario aspirare vapore a unapressione superiore al valore massimoammissibile, occorre provvedere allasistemazione di un condensatore a monte dellapompa, in modo da ridurre la tensione di vaporea un valore ammissibile. Il valore dellapressione massima ammissibile, pD, èdeterminato dal rapporto B/S, che ègeneralmente compreso tra 0,1 e 0,15.

L'aumento di B, data una determinata velocitàdi pompaggio S, è limitato dal fatto che essotende a peggiorare il vuoto finale raggiungibile.

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Se la pompa è perciò applicata a un sistemadove non vi siano specificatamente vapori dapompare, ma solo piccole quantità di essi, (essenzialmente vapore d'acqua) presenti neigas permanenti, conviene mettere in funzione lo zavorratore d'aria _____________________per eliminare queste piccole quantità di vapori e chiudere la __________ dello zavorratore d'ariadopo qualche tempo in modo da raggiungerepiù basse pressioni limite.

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Supponiamo, a titolo di esempio, di dovere pompare solo vapori di acido acetico contenuto nel sistema da evacuare. La massima tensione di vapore ammissibile, perché possa essere effettuato il pompaggio con una pompa per la quale per esempio B/S = 0,1, deve essere calcolato in base alla formula precedente. Se la temperatura di esercizio della pompa e 75 °C, la tensione di vapore saturo dell'acido acetico in queste condizioni è 21331,52 Pa.

Considerando inoltre pDL = 1333,22 Pa si ottiene: pD = 2533,11 Pa.

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Ciò significa che, con uno zavorratore d'aria per cui B/S = 0,1, è possibile pompare vapori diacido acetico purché la tensione di vaporeall'interno della camera da vuotare non superi2533,11 Pa.

Poiché l'acido acetico ha una tensione di vaporedi 2533,11 Pa a 28 °C, è possibile evacuare ilsistema contenente acido acetico purché questonon venga a trovarsi a _____________________ a 28 °C.

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