DRY VACUUM PUMP TECHNOLOGIES Le tecnologie delle pompe a secco

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DRY VACUUM PUMP TECHNOLOGIESLe tecnologie delle
pompe a secco
Dr.Joris Cinquetti Cinquepascal srl
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Drypumping Technology

• La tecnologia del pompaggio a secco E UNA
  TECNOLOGIA BEN STABILIZZATA per le applicazioni
  industriali più gravose si può contare su
• 20 anni di esperienza
• gt150.000 drypump installate
• Semiconductor Processing
• Dusty Application (CVD)
• Applicazioni Aggressive (Etching)
• Processi Chimici
• Processi con Acidi e solventi in applicazioni
  che presentano spesso il rischio di ingestioni
  liquide

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Drypumping Technology

• Quali sono le ragioni per utilizzare le pompe a
  secco se sono più care delle pompe tradizionali?

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Perché il pompaggio a secco?

• Lolio è il punto critico nei processi di
  pompaggio I meccanismi di pompaggio sono senza
  olio (OIL FREE) e quindi non vi è nessun processo
  connesso al degrado dellolio nelle pompe a
  secco.
• Con lolio quello che entra in pompa non è ancora
  fuori dal processo! Lingresso di polveri
  nellolio conduce alla formazione di una melma
  compatta che può rigare i meccanismi ed indurre
  perdita nelle prestazioni della pompa, oppure può
  occludere le linee di lubrificazione danneggiando
  definitivamente i meccanismi. I vapori
  condensabili (tipicamente lacqua) emulsionano
  nella pompa modificandone le caratteristiche e
  potenzialmente corrodendola. Lolio viene
  attaccato e degradato da molti prodotti di
  processo (solventi o gas da plasma, etc)

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Vantaggi del pompaggio a secco

• Riduzione dei costi di processo
• Sicurezza e Affidabilità
• I meccanismi non sono a contatto tra loro
• Minima usura
• Riduzione della manutenzione ordinaria
• olio e filtri
• Riduzione della manutenzione straordinaria
• la pompa aggredita e corrosa tipica dellolio
  non è più così frequente e la manutenzione è
  solamente dedicata alla integrità meccanica
  (esempio i cuscinetti) e prevedibile su tempi
  lunghi (6 anni)

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Vantaggi del pompaggio a secco

• Pompaggio di vapore acqueo, solventi ed
  aggressivi con possibilità di diluizione forte
  per gas corrosivi, tossici e piroforici
• Possibilità di recuperare il solvente pulito
  allo scarico della pompa
• Possibilità per polveri solide di attraversare il
  meccanismo pompante. Questa possibilità non
  esiste nelle pompe con olio nelle quali la
  contaminazione solida finisce con rompere il
  meccanismo
• Possibilità di lavorare a qualsiasi pressione
  intermedia senza particolari problemi

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Benefici comuni ai vari tipi di pompe a secco

• Benefici ambientali
• Nessun olio da stoccare.
• Nessun olio da smaltire
• Nessun olio emesso in ambiente
• Nessun olio respirato dal personale
• Benefici tecnologici di processo
• Uniformità nel tempo delle prestazioni delle
  pompe
• Recupero facilitato dei gas pompati e facilità di
  trattamento degli stessi
• Processi puliti
• Non vi è inquinamento della camera di processo
• Non vi è inquinamento del gas pompato
• Non vi è cross contamination

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Applicazioni

• Distillazione
• Essiccamento
• Evaporazioni
• Reattori
• Pompaggio e Recupero Solventi
• Pompaggi in sterilizzatori con ossido di etilene
• Impianti centralizzati
• Pompaggio di gas con basse temperatura di
  auto-ignizione (T4)
• Pompaggio di gas infiammabili (IIA,IIB)
• Pompaggio di gas corrosivi
• Pompaggio di acidi grassi
• Ricircolo gas di processo (azoto elio etc)
• Fornaci da vuoto (metallurgia)
• Liofilizzazione

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Principi delle Dry Pump Technologies

• Nellindustria
• Lobi tipo Roots e multiroots
• Vite
• Claw e multiclaw e combinazioni
• Palette di grafite
• Le pompe a secco debbono garantire che potenziali
  contaminazioni passino attraverso i meccanismi.

• Nei laboratori di ricerca
• Scroll
• Membrana
• Pistone e multipistone
• Grafite
• Setacci molecolari
• Rotativa a palette di grafite
• Le pompe a secco debbono principalmente garantire
  la non contaminazione del sistema in vuoto

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Pompa a vite -Screw pump
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Screw Pumps - Generalità

• Principio ben utilizzato per i compressori,
  adattato per il vuoto.
• Il meccanismo pompante è costituito da due viti
  senza fine, a passo costante, che ruotano
  sincrone con piccole tolleranze. Il gas pompato
  muove assialmente sospinto dal moto
  spiraleggiante della vite verso lo scarico.
• Le viti agiscono come una tenuta dinamica e tutto
  il pompaggio avviene nellultimo quarto di giro.
• Originalmente sono state sviluppate per il
  pompaggio di gas radioattivi, poi per lindustria
  chimica (tolleranza al pompaggio di vapori e di
  liquidi) ed infine per applicazioni nei
  semiconduttori.
• Può essere orizzontale o verticale dipende dal
  costruttore e dal settore merceologico a cui si
  rivolge.
• Il vuoto finale è dato dal numero di eliche nella
  vite e dalle tolleranze tra le eliche e lo
  statore. Vuoto ultimo misurato con Pirani 0,001
  mbar

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Meccanismo a vite orizzontale
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Screw pump- Pompa a vite
14
(No Transcript)
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Pompa a vite orizzontale
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Pompa a vite verticale
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Pompe a VITE Caratteristiche positive

• Buon vuoto finale ed elevate portate
• Costruzione apparentemente semplice
• Facile da smontare
• Ottimo smaltimento di liquidi
• Possibilità di flussare i solventi durante il
  pompaggio
• Elevato rapporto di compressione
• Mancanza di zone di intrappolamento per il gas o
  per le polveri trascinate nel pompaggio
• Il flusso nella pompa è diretto
• La pompa non richiede condensatori di interstadio
• Possibilità di riscaldare uniformemente lo
  statore prevenendo la condensazione

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Pompe a VITE Limiti

• Non vi è compressione del gas se non nella elica
  che è connessa allo scarico. Il volume è costante
  lungo lasse di pompaggio e non vi sono stadi di
  compressione
• Il gas subisce una grande quantità di lavoro con
  conseguente consumo di energia
• Lavora molto calda sullo scarico, la temperatura
  può superare i 300 gradi in una zona limitata
  vicino allo scarico
• Le viti vanno cambiate a coppia e sono molto
  complicate da produrre I rotori sono molto cari
  anche per il coating protettivo usato come letto
  sacrificale.
• Nel tempo il valore del vuoto finale peggiora con
  il diminuire del coating (può arrivare anche ad 1
  decade)
• Le polveri contribuiscono alla rovina del coating
  per abrasione fra i rotori in un moto circolare.
• Il volume costante attraverso il meccanismo
  significa che un volume grande di gas viene
  ricompresso allo scarico.Maggiore è la
  ricompressione maggiore è il consumo di energia
  (anche vicino alla pressione finale) e più alta
  è la temperatura che può arrivare ai 300oC.
• Il raffreddamento di una pompa a vite è vitale
  soprattutto vicino allo scarico, vicino ai
  cuscinetti ed allolio per rimuovere il calore in
  eccesso.
• Molti gas e materiali di processo possono
  polimerizzare alle temperature elevate.
• Le elevate temperature possono ridurre le vita
  dei componenti

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Pompa a vite

• La tolleranza ed il numero di spire è cruciale
  per determinare il vuoto finale.
• La portata è determinata dal volume del gas
  intrappolato tra le spire.

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Curve tipiche della pompa a vite
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Considerazioni sui meccanismi a vite

• I picchi di temperatura e pressione possono
  causare reazione nei gas pompati
• Bisogna utilizzare molta acqua N2 per contenere
  i picchi di temperatura
• I solidi possono condensare sulle superfici fredde

Valore

• La Ri_ compres-sione del gas richiede molta
  potenza

TEMPERATURA
PRESSIONE
Posizione
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Considerazioni sui meccanismi a vite

• Richiedono cuscinetti in alto vuoto in alcuni
  modelli
• I rotori vengono forzati ed abrasi dai depositi
  alcuni costruttori prevedono la pulizia col
  vapore dopo i pompaggi
• 5 oil seals in alcuni modelli

• Suscettibile ai fenomeni di exhaust
  backpressure possono esserci problemi
  nellaccoppiamento con tecnologie di abbattimento
  vapori

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(No Transcript)
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Pompa a lobi rotanti -Roots Pump
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Pompa Roots

• Pompa a trasferimento di gas che utilizza due o
  più lobi rotanti sincronizzati per muovere il
  gas.
• Vuoto ultimo misurato con Pirani 0,0001 mbar
• Oil free. Utilizzata normalmente per aumentare il
  vuoto finale e la portata della pompa di
  prevuoto.
• Speed range 250 - 30.000 m3/h

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Roots
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Meccanismo Roots Trilobato
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Roots pump

• SVANTAGGI
• Richiede pompa preliminare (più stadi di
  pompaggio)
• Compressione bassa alle alte pressioni
• Dilatazione eccessiva (forte raffreddamento)

• VANTAGGI
• Alto rapporto di compressione volumetrico alle
  basse pressioni
• Meccanismo molto conosciuto

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Pompa Booster

• Il meccanismo roots è un dispositivo senza
  valvole dove una coppia di rotori a lobi,
  interconnessi e sincronizzati, ruotano in
  direzione opposte con un minimo gioco luno
  rispetto allaltro e rispetto alle pareti dello
  statore.
• Il gas è intrappolato allingresso di ogni lobo
  ed incanalato verso luscita lungo le pareti
  dello statore.
• Rimuove grandi volumi di gas ma non è un vero
  compressore
• La sua efficienza è al massimo tra 1 e 10-2 mbar

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Problemi di retroespansione del gas

• Il meccanismo Roots non è adatto per scaricare ad
  alta pressione con un alto rapporto di
  compressione. Una tale operazione comporta un
  grande lavoro da fare sul gas e comporta problemi
  di riscaldamento che possono portare al blocco
  del meccanismo stesso.

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Rapporto di compressione
32
Meccanismo a dente - Claw Mechanism
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Meccanismo a Claw singolo

• SVANTAGGI
• Il vuoto finale di uno stadio è di un centinaio
  di millibar
• Vi è una zona di rientro gas pompato che se
  riempito di liquido potrebbe bloccare la pompa
• Necessità di gas per la pulizia delle tenute
• Poca compressione alle basse pressioni

• VANTAGGI
• Autovalvolante
• Buona compressione allatmosfera con poco calore
  generato
• Capacità di pompare vapori e polveri
• Compattezza
• Facilità di diluizione del gas pompato con ballast

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Claw Compression Ratio
Inlet pressure (mbar)
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Claw mechanism
50
Claw mechanism
40
Outlet pressure
Inlet pressure
30
20
10
Roots mechanism
Ratio of
-3
-2
-1
0
1
2
3
10
10
10
10
10
10
10
Outlet pressure (mbar)
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Claw Mechanism
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Meccanismi a stadi multipli

• Meccanismi roots multistadi
• Dente a claw
• Meccanismi multi-claw
• Multistadi claw invertiti
• Multistadi claw invertiti con stadi roots

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Meccanismi roots multistadio
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Meccanismo a tre stadi con valvole interne
Tre stadi con cinghie Compressione povera Valvole
di interstadio Manutenzione complessa
Raffreddamento motore forzato Disponibile solo
per pompaggi molto puliti Minima capacità di
pompaggio liquidi No explosion testing Inadatta
agli attacchi chimici Quasi scomparsa dal mercato
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Tre stadi roots con condensatori dinterstadio

• Compressione inefficiente
• Eccessiva generazione di calore
• Essenziale lInterstage cooling
• Rischi elevati di
• Cooler blockage
• Condensation
• Chemical attack

41
(No Transcript)
42
Questo meccanismo a 6 stadi permette di
raggiungere 10-2 mbar. I primi 3 meccanismi
bilobati non hanno scambiatori di calore di
interstadio, mentre il secondo gruppo di 3 rotori
trilobati li prevede.
I lobi sono montati su una coppia di assi diversi
tra loro poiché un asse troppo lungo potrebbe
flettere sotto carico e bloccare il meccanismo
La pompa sostituisce una doppio stadio ad olio
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Osservazioni generali sui tre stadi Roots

• 3 stadi
• Spesso motore a cinghia
• Compressione povera
• Valvole di interstadio
• Manutenzione continua nei processi pesanti
• Motore adeguato
• Consigliata per le applicazioni clean

• Si genera eccessivo calore
• I condensatori di interstadio sono essenziali
• Probabile punto di blocco senza meccanismi di
  sblocco
• Condensazione con probabile attacco chimico
• Scarsa capacità di ingerire liquidi

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Two Stage Claw Mechanism

• Due stadi di compressione
• Alti rapporti di compressione
• Eccessiva produzione di calore
• Condensatore di interstadio
• Condensazione
• Corrosione
• Rischio di blocco idraulico
• Nessun meccanismo di sblocco

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Three-stage Reversed Claw Pump
46
Three-stage Reversed Claw Pump
47
Gas Flow Path
Alcuni vantaggi del design con lobi invertiti Non
vi è una riduzione della temperatura del gas tra
gli interstadi le eventuali Polveri sono pompate
attraverso la pompa
Exhaust
Inlet
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Multi stage inverted claw

• Vantaggi
• Il cammino del gas è minimizzato (compattezza)
  prevenendo la condensazione e laccumulo di
  particolato Eccellente pompaggio di polveri,
  solventi condensabili.
• Il vuoto finale non cambia anche se uno stadio
  viene corroso da polvere o vapore
• Maccanismo autovalvolante con distribuzione
  continua della temperatura di compressione
• La pompa viene vestita in funzione del
  processo data la facilità di diluizione del gas
  pompato con ballast
• Vuoto ultimo misurato con Pirani 0,001 mbar

• Svantaggi
• Il vuoto finale è appena inferiore a 0.1 millibar
• Vi è una zona di rientro gas pompato che se
  riempito di liquido potrebbe bloccare la pompa
• Necessità di gas per la pulizia delle tenute

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3-stage Claw
3
2
1
4
1 Inlet flange 2 Upper bearing in
removable cartridge 3 Integral water cooling 4
Heat exchanger for cooling water circuit 5
Three stage claw mechanism 6 Reversed claws
for shortest gas path 7 Blow-off valve for
low power consumption 8 Outlet flange 9
Gear box 10 Clutch assembly
5
6
7
8
10
9
50
(No Transcript)
51
Multi stage claw

• Come nei dispositivi all-roots tutti gli stadi
  claw (4 in questa figura) sono sullo stesso
  albero
• Se si segue landamento del gas si vede che
  luscita da uno stadio e lentrata nello stadio
  successivo non coincidono e quindi è richiesto un
  grande cammino per il gas nella pompa stessa.
• Se il cammino è troppo lungo la velocità del gas
  può diminuire, la sua temperatura ridursi fino ad
  avere condense localizzate o depositi di
  particolato. Questo può creare problemi alla
  pompa ed aumentare i costi di manutenzione

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Claw with Roots

• Vantaggi
• Oltre ai vantaggi precedenti utilizza le
  prestazioni ottimali della roots operante a
  pressioni inferiori di 1 mbar
• Aumento del vuoto finale

• Svantaggi
• Velocità ridotta alla pressione atmosferica
• Vi è una zona di rientro gas pompato che se
  riempito di liquido potrebbe bloccare la pompa
• Necessità di gas per la pulizia delle tenute

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Rapporti di compressione
50
Claw mechanism
40
Outlet pressure
Inlet pressure
30
20
10
Roots mechanism
Ratio of
-2
-1
0
1
2
-3
3
10
10
10
10
10
10
10
Outlet pressure (mbar)
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Roots-claw pump mechanism

• Claw invertita più roots
• Edwardspatent

55
(No Transcript)
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Roots - Claw Mechanism
Flangia di accoppiamento
Scarico
Tenute
5th 4th 3rd 2nd 1st
Ingranaggi
Ingresso
Cuscinetti
Canned Motor
Roots multi-lobi
Claws Roots
Acqua di raffreddamento
57
GV(M) Cutaway
58
next generation chemical dry pump
THE BRIGHTEST STAR
DRYSTAR CDX 850 THE NEXT GENERATION
...available in 2002
59
Zavorra dazoto

• La zavorra dazoto usata in molti meccanismi a
  secco ha le seguenti funzioni
• Gas ballast
• previene la condensazione di vapori chimici nella
  pompa
• Purge
• mantiene la velocità del gas
• Tenuta dinamica di sicurezza sulle guarnizioni
  dellalbero motore
• mantiene pulite le guarnizioni e garantisce la
  ermeticità dellaccoppiamento
• segnala anomalie
• Diluizione gas
• tossici,corrosivi,piroforici ed ossidanti

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Obiettivi ed innovazioni per le nuove generazioni
di pompe a secco industriali

• Capacità di lavorare molto calde
• Aumentare la capacità di pompare polveri
• Non avere cuscinetti in vuoto
• Ridurre la Potenza
• Non necessitare di gas di tenuta sullalbero
• Ridurre od eliminare acqua di raffreddamento
• Ridurre il footprint

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Principi delle Dry Pump Technologies

• Nellindustria
• Lobi tipo Roots e multiroots
• Vite
• Claw e multiclaw e combinazioni
• Palette di grafite
• Le pompe a secco debbono garantire che potenziali
  contaminazioni passino attraverso i meccanismi.

• Nei laboratori di ricerca
• Scroll
• Membrana
• Pistone e multipistone
• Grafite
• Setacci molecolari
• Rotativa a palette di grafite
• Le pompe a secco debbono principalmente garantire
  la non contaminazione del sistema in vuoto

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Pompa a membrana

• Pompa a trasferimento di gas che utilizza il
  moto oscillante di un diaframma per muovere il
  gas.
• Vuoto ultimo misurato con Piezoresistivo nei
  modelli a più stadi 1 mbar
• Pompa oil free. Resiste a molti processi chimici
  di laboratorio

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Meccanismo a pistone multiplo
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Pompa scroll

• Pompa a trasferimento di gas che utilizza il
  moto rototraslatorio di una chiocciola di profilo
  particolare per muovere il gas
• Vuoto ultimo misurato con Pirani 0,01 mbar
• Applicazioni Oil free.
• Hanno una capacità limitata nel pompare vapori o
  gas chimici dato che non sopportano liquidi
• Non sono adatte ad utilizzi industriali eccetto
  per le load lock.

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Principio delle pompe Scroll

• Due meccanismi scroll(chiocciola), uno inserito
  nellaltro. Uno fisso, laltro mobile in un moto
  rototraslatorio.
• Il meccanismo scroll intrappola tasche di gas e
  le trasferisce continuamente verso il centro
  della chiocciola fissa.
• Ogni chiocciola ha 5 orbite per trasferire e
  comprimere il gas prima che raggiunga lo scarico
• La pressione ultima è di circa 10-2 mbar.
• Quindi il valore di vuoto è simile a quello di
  una pompa rotativa a bagno dolio doppio stadio.

66
Principio di funzionamento
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Scroll pump
Orbita fissa
Retro dellorbita mobile
Orbita mobile
Divisore
Fronte fisso
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Seconda generazione Scroll Pumps

• Piccole portate
• Pompaggio chimico
• Minimo consumo energetico
• Manutenzione semplice

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Pompa ad assorbimento 1

• Pompa a cattura, statica, che utilizza materiale
  adsorbente ad alta superficie raffreddato in un
  bagno di azoto liquido.
• I gas sono fisicamente assorbiti sulla superficie
  di stracci molecolari od altri materiali porosi
• Vuoto tipico (funzione del volume da vuotare)
  10-2 mbar
• Applicazioni Oil free. Pompaggio preliminare a
  pompe tipo ion getter.
• Effetti di saturazione, portata decrescente nel
  tempo
• Effetti di pompaggio selettivo dei gas pompa
  poco H2 o gas nobili

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Pompa ad assorbimento 2

• Tipicamente è un contenitore in alluminio od in
  acciaio inossidabile con alette per il
  trasferimento del calore immerso in un bagno di
  azoto liquido, riempito dio materiale adsorbente
• Il materiale tipico sono le zeolite come la
  Zeolite 13X-allumino silicato alcalino (in
  pellets di 5-8 mm per 3 di diametro) o più
  raramente il carbone attivo
• Le porosità consigliate dei setacci molecolari
  sono di 0,4 nm (diametro molecolare N20,32 nm e
  O20,29 nm) il rapporto superficie interna peso
  è tipicamente 550m2/g e le cariche vanno da 300 a
  1200 g.
• es. la 13X ha una superficie di 13 m2/g, diametro
  pori 13A, 5 1018 molecole assorbite per ogni mm2,
  che per N2 corrispondono a 210-4 g od 0,2
  mbarl.
• In un sistema da 15 l di volume con aria pulita
  si raggiungono da 0,02 a 0,04 mbar con una carica
  di 300 g.
• Lutilizzo di due sistemi in serie permette di
  raggiungere qualche 10-4 mbar

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Pompa ad assorbimento 3
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IPX

• La pompa IPX è una pompa primaria sviluppata per
  il mercato dei semiconduttori
• Motore e meccanismi pompanti integrati in un
  unico albero ad elevata velocità
• Meccanismo di pompaggio combinato tra
• Uno o più stadi drag a bassa pressione Holweck
• Multistadi fluidodinamici per lalta pressione
• Scarico alla pressione atmosferica e pressioni da
  10-2 a 10-5 mbar.

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IPX Drag Holweck
Drag Statore
Stadio single drag Holweck
Cilindro stazionario
Inlet
Outlet
Cilindro rotante
Canale ad elica
Drag Rotore

• Cilindro rotante con scanalatura ad elica
  stazionaria
• o
• Rotore con scanalatura ad elica rotante e
  cilindro stazionario
• Opera nei regimi molecolare e di Knudsen

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IPX Meccanismo Fluidodinamico
FD Rotore
Ingresso
Uscita
Stadio singolo FD
Rotore
Sezione A-A del canale
Lama
Canale del flusso
Cammino del gas
FD Statore
Tipico cammino delle molecole di gas
Statore

• Le lame, aerodinamicamente sagomate allo scopo,
  ruotano ad elevata velocità causando delle
  spirali vorticose di flusso nei canali
• Servono multistadi per raggiungere la necessaria
  compressione
• Normalmente opera in regime viscoso

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IPX - Cross Section
Vacuum Inlet
Low Pressure Drag Stages
Inlet Strainer
High Pressure Fluid Dynamic Stages
Seals
Water Outlet
Exhaust
Upper Bearing
Drive
EMC Filter Pack
Motor
Lower Bearing
Water Inlet
Oil Pump
Oil Filter
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IPX Stadi e Vuoto
100 m3/hr 5 x 10-3 mbar
IPX100
2 Stadi convenzionali Drag
180 m3/hr 1 x 10-4 mbar
3 Stadi convenzionali Drag
IPX180
1 Rotore ad elica più 4 stadi convenzionali
Drag
500 m3/hr 1 x 10-6 mbar
IPX500
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IPX100 Speed curve
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IPX Speed Curves
IPX500
IPX180
IPX100
79
IPX500 gas speed curves
80
IPX

• Vibrazioni ridottissime
• Rumore non eccessivo
• Bassi consumi

• Compatta
• Pulita (non ci sono cuscinetti in vuoto)
• Elevata affidabilità/minima manutenzione
• meccanismi non a contatto
• nessuna usura (non genera particolati)