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Pompe da vuoto

Per fare il vuoto, come anche per mantenerlo, è necessario avere dei dispositivi meccanici che asportino dalle camere da vuoto, attraverso delle condutture, il gas; tali dispositivi si chiamano pompe da vuoto.

Le pompe da vuoto possono essere catalogate in tre categorie:

• pompe a spostamento di parete: tali pompe usano un meccanismo meccanico per espandere ciclicamente una cavità, permettono al gas di affluire dalla camera da vuoto, uno volta aspirato la cavità viene sigillata, il gas compresso ed espulso verso l'atmosfera. Esempio di tali pompe sono le rotative e le roots:
  • Le pompe rotative sono costituite da un rotore provvisto di palette mobili che ruota eccentricamente in uno statore. Le palette vengono tenute a contatto con la superficie interna dello statore da una molla e dalla forza centrifuga. Tra le palette e lo statore è sempre presente un velo d'olio come elemento di tenuta. La variazione di volume delle camere crea depressioni (fase di aspirazione) e compressioni dell'aria (fase di scarico). Nella fase di aspirazione il gas viene estratto dalla camera da vuoto tramite il manicotto di aspirazione, successivamente grazie all'eccentricità del rotore la camera continua ad aumentare di volume. Una volta raggiunto il volume massimo il manicotto di aspirazione viene chiuso da una seconda paletta mentre la camera della pompa comincia a diminuire di volume consentendo ai gas di essere espulsi dal manicotto di scarico.
    Le pompe rotative raggiungono pressioni di $10^{-3}$ mbar con una velocità di pompaggio di $200m^{3}/h$.
    Lo svantaggio di questo tipo di pompe è la presenza di olio che causa la contaminazione dell'aria presente nella camera da vuoto. Soluzioni a questo problema sono l'utilizzo di pompe rotative a secco, che però hanno minore portata, e trappole ad azoto liquido connesse in serie alla pompa per bloccare i vapori d'olio.

    

    Schema di funzionamento di una pompa rotativa;a) il gas viene aspirato dalla camera da vuoto; b) il gas viene compresso; c)il gas viene espulso tramite la valvola

  • Le pompe roots sono composte da una camera ovale in cui sono alloggiati due pistoni che si muovono in direzioni opposte. Questo tipo di pompe funziona senza olio quindi si evita la contaminazione dei gas, lo svantaggio è che a causa dell'attrito i pistoni non possono entrare in contatto tra di loro e con la parete esterna quindi in fase di progettazione si lascia tra i componenti uno spazio di circa 0.1 mm.
    Le pompe roots possono raggiungere pressioni inferiori a $10^{-3}$ mbar con una grande portata. A causa della scarsa tenuta, però, non è in grado di superare differenze di pressione troppo elevate per questo è sempre presente in serie una pompa rotativa.
• pompe a trasferimento di quantità di moto, dette anche pompe molecolari, tali pompe usano jet di fluidi densi ad alta velocità o lame rotanti ad elevata velocità in maniera tale da imprimere un grande impulso alle molecole di gas. Esempio di tali dispositivi sono le pompe a diffusione e le pompe turbomolecolari.
  • Nelle pompe a diffusione si utilizza un getto di molecole sotto forma di vapore che ha la funzione di trasferire per urto quantità di moto alle molecole del gas da espellere. Nelle prime pompe venivano usati vapori di mercurio poi sostituito con olio con bassa tensione di vapore. L'olio alla base della pompa viene scaldato e portato in ebollizione. Salendo, il vapore viene incanalato attraverso delle strozzature che lo deviano verso il basso e lo portano ad una velocità di alcune centinaia di m/s. Le molecole del gas che incontrano le molecole di vapore subiscono un'accelerazione verso la base della pompa dove è presente l'ingresso di una pompa meccanica che assicura il pre-vuoto (condizione necessaria per il funzionamento della pompa a diffusione). Quando le molecole di vapore impattano sulla parete esterna subiscono un raffreddamento che le fa condensare permettendone il ritorno nella vasca di raccolta alla base della pompa. Per garantire una temperatura sufficientemente bassa le pareti della pompa sono circondate da una serpentina in cui circola del liquido refrigerante. Con riferimento all'immagine si nota che il getto di vapore trasferendo quantità di moto alle molecole di gas crea due zone a differente pressione. Il rapporto tra le pressioni può essere espresso tramite la formula ${\frac {p_{2}}{p_{1}}}=e^{\rho v{\frac {L}{D}}}\$ dove $\rho$ è la densità del vapore, v la sua velocità, L lo spessore e D è un coefficiente che dipende dal peso molecolare degli elementi che compongono gas e olio. Minore è il peso molecolare del gas da estrarre più grande è D, di conseguenza il rapporto tra le pressioni tende a 1. In definitiva la pompa a diffusione è poco efficace nell'estrarre gas molto leggeri come l'elio.

    

    Pompa a diffusione

• pompe ad intrappolamento che catturano i gas residui in un solido o su una superficie assorbente. Esempio sono le criopompe, i getter e le pompe ioniche.

Sezione di una pompa roots; si vedono i lobi che ruotando comprimono il gas

Sezione di una pompa turbomolecolare

Le pompe a spostamento sono le più efficaci per i bassi vuoti, ma il riflusso all'indietro attraverso le guarnizioni metalliche generalmente limita l'utilità nelle applicazioni di alto vuoto.

Per raggiungere condizioni di alto vuoto è necessario disporre in serie una pompa a spostamento di parete con una pompa a trasferimento di quantità di moto.

Le pompe a trasferimento di quantità di moto non possono funzionare in basso e medio vuoto, in quanto vanno in quello che in gergo aeronautico viene chiamato stallo.Questo è un fenomeno relativo solitamente ai profili alari,come le alette delle pompe molecolari:considerando il flusso del gas che arriva sull'aletta grazie all'impulso dato,si presentano diverse forze su di essa;tra queste,si considera la forza che ha direzione perpendicolare alla direzione del moto del gas,denominata portanza .Questa è esattamente perpendicolare ad un'altra forza ben conosciuta,chiamata resistenza,parallela alla direzione del moto del gas incidente.Si definisce stallo un calo della portanza.Ciò che causa stallo nel caso delle pompe può essere l'inclinazione di un'aletta provocata da una forza troppo grande applicata su di essa.Ricordando che la pressione è direttamente proporzionale alla forza,si giunge ad affermare che le pompe molecolari non possono lavorare in situazioni di medio e basso vuoto,perché implicano necessariamente pressioni troppo alte tali da inclinare le alette,al limite romperle. Un esempio pratico della portanza è quella che agisce sull'ala di un aeroplano:proprio essa permette all'aereo di rimanere in volo;se il pilota dovesse compiere una brusca manovra,si avrebbe che questa non inciderebbe più sull'ala,facendo perdere quota all'aereo. Per questa ragione le pompe molecolari richiedono una pompa a spostamento in serie che aspiri i gas in uscita in medio vuoto e li porti a pressione leggermente inferiore a quella atmosferica.

Le pompe ad intrappolamento sono usati nei sistemi di ultra alto vuoto, ma hanno una limitazione nel tempo di operazione in quanto la materia non viene asportata dalla camera da vuoto durante il funzionamento, ma accumulata. Quindi tali pompe periodicamente saturano e richiedono la rigenerazione, che può portare il sistema di nuovo ad alta pressione e temperatura (se si tratta di pompe criogeniche). Poiché il tempo di operazione dipende dalla quantità totale di materia aspirata, utilizzare le pompe ad assorbimento in alto vuoto è assolutamente sconsigliabile, in quanto riduce ad un valore inaccettabile il tempo di operatività. Le pompe da vuoto differiscono in altri dettagli quali i materiali delle guarnizione, le tolleranze, le pressioni di operazione, la velocità di aspirazione, affidabilità, intervallo di tempo tra interventi tecnici, tolleranza ai liquidi e vibrazioni.

Caratteristiche specifiche delle pompe sono:

• La velocità di pompaggio riguarda al volume che fluisce nell'ingresso nell'unità di tempo come unità di misura si usano litri al secondo o metri cubi all'ora. A causa della compressione, il volume che fluisce all'uscita è molto inferiore a quello dell'ingresso. Le pompe a trasferimento di quantità di moto sono più efficaci per alcuni gas che per altri. A causa di tale selettività la composizione del gas residuo nella camera da vuoto è diversa dalla composizione dei gas di partenza.
• La portata indica la quantità di materia portata via nell'unità di tempo, ed è data dal prodotto della velocità di pompaggio per la pressione all'ingresso. Se la temperatura è costante valendo l'equazione di stato dei gas perfetti, tale grandezza è pari alla quantità di materia portata via dalla pompa nell'unità di tempo. Quando si parla di buchi, degassamento o riflusso indietro, si misurano in unità del volume entrante moltiplicato la pressione a cui il fenomeno avviene, in maniera tale che il confronto con la portata è facilmente calcolabile.

Le pompe a spostamento di parete e quelle a trasferimento di quantità di moto hanno praticamente una velocità di pompaggio indipendente dalla pressione. Ma al diminuire della pressione della camera da vuoto, il volume aspirato contiene sempre meno quantità di materia, per questa ragione la portata diminuisce rapidamente. Al contempo i buchi, l'evaporazione, la sublimazione e il riflusso indietro producono una quantità di materia immessa nella camera indipendente dalla pressione. Quindi quando la portata della pompa (tenendo conto della riduzione dovuta alla conduttanza delle tubazioni di interconnessione) diviene pari alla quantità di materia che si immette nella camera, il sistema si porta asintoticamente ad una pressione di equilibrio dinamico detto di vuoto limite.

Si definisce degassamento la evaporazione o sublimazione all'interno della camera da vuoto; la sorgente più comune di degassamento è l'acqua assorbita dai materiali della camera da vuoto. Se la causa principale di immissione di materia nella camera sono buchi o degassamento, l'utilizzo di pompe di maggiore velocità di pompaggio può migliorare la qualità del vuoto. Tuttavia, vi è un vuoto per cui il riflusso indietro attraverso le pompe o il degassamento dell'olio delle pompe (le pompe a secco non hanno problemi connessi con l'olio) diventa il meccanismo di immissione di materia. In questo caso, il vuoto raggiungerà il vuoto limite della pompa, cioè il vuoto migliore con la pompa in condizioni ideali. Aumentare la velocità di pompaggio ad esempio mettendo più pompe in parallelo non cambia tale vuoto limite, che può essere migliorato usando pompe di tecnologia diversa.

Pompa a membrana

È detta anche a diaframma, in cui la variazione di volume è data dall'oscillazione di una membrana che chiude un lato di una camera. Il vantaggio di questa soluzione è l'assoluta impermeabilità ottenuta con l'eliminazione dello scorrimento tra parti.

Caratteristiche fondamentali della pompa a membrana:

1. Hanno bassa velocità
2. Sono senza olio
3. Hanno una membrana in gomma
4. Possiedono una pompa primaria

La figura di seguito, ne mostra il funzionamento:

File:Pompamembrana.jpg

Schema di una pompa a membrana

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