Title: DRY VACUUM PUMP TECHNOLOGIES Le tecnologie delle pompe a secco
1DRY VACUUM PUMP TECHNOLOGIESLe tecnologie delle
pompe a secco
Dr.Joris Cinquetti Cinquepascal srl
2Drypumping 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
3Drypumping Technology
- Quali sono le ragioni per utilizzare le pompe a
secco se sono più care delle pompe tradizionali?
4Perché 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)
5Vantaggi 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)
6Vantaggi 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
7Benefici 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
8Applicazioni
- 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
9Principi 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
10Pompa a vite -Screw pump
11Screw 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
12Meccanismo a vite orizzontale
13Screw pump- Pompa a vite
14(No Transcript)
15Pompa a vite orizzontale
16Pompa a vite verticale
17Pompe 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
18Pompe 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
19Pompa 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.
20Curve tipiche della pompa a vite
21Considerazioni 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
22Considerazioni 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
23(No Transcript)
24Pompa a lobi rotanti -Roots Pump
25Pompa 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
26Roots
27Meccanismo Roots Trilobato
28Roots 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
29Pompa 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
30Problemi 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.
31Rapporto di compressione
32Meccanismo a dente - Claw Mechanism
33Meccanismo 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
34Claw Compression Ratio
Inlet pressure (mbar)
35Claw 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)
36Claw Mechanism
37Meccanismi a stadi multipli
- Meccanismi roots multistadi
- Dente a claw
- Meccanismi multi-claw
- Multistadi claw invertiti
- Multistadi claw invertiti con stadi roots
38Meccanismi roots multistadio
39Meccanismo 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
40Tre 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)
42Questo 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
43Osservazioni 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
44Two 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
45Three-stage Reversed Claw Pump
46 Three-stage Reversed Claw Pump
47Gas 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
48Multi 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
493-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)
51Multi 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
52Claw 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
53Rapporti 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)
54Roots-claw pump mechanism
- Claw invertita più roots
- Edwardspatent
55(No Transcript)
56Roots - 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
57GV(M) Cutaway
58next generation chemical dry pump
THE BRIGHTEST STAR
DRYSTAR CDX 850 THE NEXT GENERATION
...available in 2002
59Zavorra 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
60Obiettivi 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
61Principi 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
62Pompa 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
63Meccanismo a pistone multiplo
64Pompa 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.
65Principio 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.
66Principio di funzionamento
67Scroll pump
Orbita fissa
Retro dellorbita mobile
Orbita mobile
Divisore
Fronte fisso
68Seconda generazione Scroll Pumps
- Piccole portate
- Pompaggio chimico
- Minimo consumo energetico
- Manutenzione semplice
69Pompa 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
70Pompa 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
71Pompa ad assorbimento 3
72IPX
- 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.
73IPX 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
74IPX 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
75IPX - 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
76IPX 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
77IPX100 Speed curve
78IPX Speed Curves
IPX500
IPX180
IPX100
79IPX500 gas speed curves
80IPX
- 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)