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Il vuoto rappresenta lo spazio o il volume non riempito d’aria o di altro gas. Le condizioni ideali per il vuoto sono ottenibili esclusivamente nello spazio interstellare, mentre nelle condizioni di laboratorio oppure in quelle industriali il vuoto viene creato con pompe per vuoto. A seconda del tipo di utilizzo la qualità del vuoto deve rispondere a requisiti diversi e, quindi, durante il processo operativo i campi di appolicazione del vuoto si suddividono in vuoto basso, medio, alto e ultra e estremamente alto. Una delle macchine per la creazione di alto vuoto è la pompa turbomolecolare.
Sostanzialmente, le pompe turbomolecolari sono compressori che operano solo con un certo insieme di parametri, compresa la pressione d’esercizio ammissibile in ingresso e in uscita, il che significa che nelle condizioni operative la pressione d’ingresso e d’uscita deve essere inferiore ad un certo livello. Tali necessità richiedono l’impiego di una pompa secondaria che possa ridurre la pressione fino al livello necessario affinchè la pompa principale possa partire.
Non solo, ma occorre mantenere la pressione in uscita per garantire un funzionamento efficace della pompa principale, quando la pressione d‘ingresso è bassa. Tale effetto è ottenibile con una pompa di adescamento posta immediatamente a valle di quella principale. La pompa comprime il gas che corre verso l’ingresso, e all’uscita questo gas si concentra. In un sistema a vuoto il gas può trovarsi in stato viscoso, in stato molecolare, oppure in quello intermedio tra i primi due. Nel caso un sistema passi dalla pressione atmosferica all’alto vuoto, il gas nel sistema attraversa tutti questi stati.
La pompa turbomolecolare è nota da molti anni, e insieme alle pompe a diffusione rientra nella categoria delle pompe per spostamento rapido del fluido. Nelle turbopompe i gas si muovono nella direzione necessaria per l’interazione con superfici speciali adatte a garantire l’alta velocità di trasporto del fluido. Già nel 1912 l’ingegnere tedesco W. Gede stabilì la possibilità di pompare i gas usando questa tecnica. Non solo, ma per provare la sua teoria costruì una semplice pompa molecolare.
Le caratteristiche di velocità di questa pompa non erano notevoli a causa della tecnica di realizzazione dei componenti e dei cuscinetti che, a quell’epoca, limitavano la velocità di rotazione del rotore. L’altra ragione, per la quale la pompa di Gede non ebbe molta diffusione, stava nella necessità di rispettare certi giochi tra i componenti in movimento della pompa. La pompa turbomolecolare fu inventata dall’ingegnere tedesco W. Becker nel 1957. Da allora la pompa turbomolecolare ebbe un rapido sviluppo sia teorico che pratico: nel periodo tra il 1960 e il 1963 gli scienziati Kruger e Shapiro misero a punto le principali procedure di calcolo del rendimento della pompa e di ottimizzazione della geometria delle turbine.
Le pompe turbomolecolari si distinguono per il funzionamento affidabile, alto rendimento, pulizia, ma sono abbastanza costose.
Le pompe turbomolecolari rientrano nella categoria di pompe cinetiche a vuoto, la cui struttura è simile alla turbina, in quanto hanno un rotore multistadio analogo ad una turbina a dischi con palette che ruotano all’interno del corpo. Spesso il rotore viene eseguito in lega di alluminio altamente resistente, mentre la superficie interna ed esterna del rotore sono realizzate in modo tale da formare delle cavità a spirale che interagiscono con le superfici dello statore per garantire il pompaggio. In altri termini, le superfici interna ed esterna del rotore creano un lungo canale di pompaggio. La misura, la forma e le tolleranze delle cavità cambiano dall’ingresso verso l’uscita della pompa per garantire una compressione multistadio. Le pompe turbomolecolari di alta qualità rendono possibile un grado di compressione dell’azoto pari a 10-9. L’efficienza di pompaggio della macchina diminuisce con l’aumento del peso molecolare del gas trasportato.
Il rotore, il motore e i cuscinetti possono essere fonte di vibrazioni del sistema turbomolecolare per pompaggio. Il bilanciamento dinamico, invece, è in grado di ridurre lo squilibrio del rotore fino ad un livello piuttosto basso. In tal modo, infatti, si minimizzano le forze che si verificano a seguito della distribuzione eterogenea della massa lungo l’asse di rotazione.
Le vibrazioni provocate dal motore si formano in ragione dell'interazione dello statore e del rotore. Inoltre, le vibrazioni sono generate dalla sospensione e dai componenti in movimento del cuscinetto. Tuttavia, la vibrazione totale prodotta dal motore e dai cuscinetti risulta inferiore a quella generata a segiuito dello squilibrio del rotore. Le vibrazioni dai cuscinetti possono aumentare qualora quelli fossero difettosi o in caso di collegamento all’impianto di pompaggio del sistema. In quest’ultimo caso occorre provvedere all’addattamento della struttura del sistema cambiandone il peso e la rigidità oppure montando degli isolatori tra l’impianto di pompaggio e il sistema.
L’alta resistenza all’usura delle pompe turbomolecolari e la loro pulizia di funzionamento sono garantite da una struttura speciale della sospensione che è dotata di cuscinetti a sfere in ceramica con lubrificante solido. Le sfere vengono realizzate in nitruro di silicone, il che garantisce una serie di vantaggi.
Questi cuscinetti, infatti, sono due volte più rigidi rispetto ai loro analoghi in alluminio presentando, nello stesso tempo, un alto grado di stabilità, nonchè la pressione e il contatto minimo delle superfici. La rigidità della struttura dei cuscinetti incide, altresì, notevolmente sull’affidabilità e sulle prestazioni operative dei sistemi per pompaggio.
Il peso relativamente basso del materiale delle sfere e l’indice di densità (del 40% inferiore rispetto a quello dell’acciaio) riducono il carico e la tensione interna che si verifica a causa dell’effetto delle forze centrifughe. Il basso indice di attrito del materiale delle sfere ne rende più lunga la durata grazie alla stabilità superficiale dei componenti. Inoltre, il nitruro di silicone possiede un’alta resistenza alle temperature, mentre il tipo di lubrificante solido usato in questi cuscinetti favorisce il perfetto funzionamento della pompa escludendone la necessità di grossa manutenzione.
La struttura semplice della pompa turbomolecolare rappresenta un disco rotante con una schiera di palette montate. All’atto di rotazione del disco le palette esercitano un effetto sulle molecole di gas spostando l’energia meccanica dalle palette alle molecole che vengono spinte dal raccordo di entrata attraverso le cavità incise nello statore. Successivamente, il gas si comprime in stadi diversi fino ad arrivare alla bocca di iniezione, dalla quale viene evacuato per mezzo della pompa di adescamento.
Il gas arriva nella pompa tramite la bocchetta di aspirazione, si comprime in stadi diversi e viene alimentato alla pompa di adescamento. Le pompe turbomolecolari possono creare pressioni di prevuoto di circa 50 Pa durante carichi intensi di gas.
La pompa turbomolecolare si compone di palette rotanti e statiche poste su più livelli. Il pompaggio per mezzo del sistema che si compone di palette situate sul rotore e sullo statore è garantito tramite l’invio di impulsi dalle palette, che si ruotano ad alta velocità, alle molecole del gas trasportato. Le molecole si urtano contro la superficie, si accumulano e, nello stesso tempo, la velocità delle palette si aggiunge alla velocità termica molecolare.
La pompa può funzionare con una velocità del rotore nel campo di 24000-90000 giri al minuto e può essere messa in moto da varie fonti di alimentazione, di cui anche gruppi elettrogeni.
La velocità di funzionamento e il grado di compressione della pompa dipendono dalla geometria del rotore e dalla sua velocità. Strutturalmente, una pompa turbomolecolare può essere realizzata in esecuzione orizzontale o verticale.
All’atto di montaggio della pompa in posizione orizzontale la flangia in uscita viene orientata in giù per evitare l’accumulo di condense (vapore acqueo, vapore d’olio dal condotto di prevuoto) nella zona del cuscinetto ed evitarne il rischio di danneggiamento.
Possibili difficoltà di utilizzo delle pompe turbomolecolari:
La tecnologia del vuoto si è sviluppata rapidamente grazie ad ampie possibilità di applicazione pratica. Tale tecnologia viene ampiamente usata in settori diversi: industria alimentare e medica, sintesi termonucleare, accelerazione delle particelle, industria spaziale, produzione di componenti elettronici, materiali industriali e semiconduttori. In vari campi della scienza e dell’industria, infatti, si ha bisogno non solo di alto vuoto, ma di vuoto puro senza miscele d’olio. Per questi motivi una pompa turbomolecolare ha una grossa importanza soprattutto in tre settori della tecnologia del vuoto: rivestimento di materiale di film sottili con il metodo di polverizzazione; fabbricazione di dispositivi a semiconduttori e produzione di sensori di perdite. Le pompe turbomolecolari trovano impiego nei settori legati alla fisica delle alte energie, nonchè negli studi e nelle ricerche relative al vuoto ultra e estremamente alto. Tutte le metodologie moderne di trattamento dei gas, dei fluidi e del plasma si imperniano sull’uso di spettrometri di massa e richiedono un’altezza adatta del vuoto. La produzione dell’alto vuoto serve anche nel caso della produzione di microscopi elettronici e di strumenti per analisi superficiale. Insomma, nel 90% delle tecnologie dell’alto vuoto la pompa turbomolecolare può essere usata con molto successo. Le pompe turbomolecolari possono creare vuoto puro nel campo da 10-3 a 10-10 mbar.
Nell’industria dei semiconduttori le pompe turbomolecolari vengono utilizzate per i seguenti processi:
Questi campi di applicazione richiedono spesso il trasporto di gas aggressivi.
Di solito le pompe turbomolecolari funzionano per anni non richiedendo molta manutenzione. Di regola, nelle pompe equipaggiate di decantatore d’olio e di sistema di circolazione è necessario cambiare l’olio ogni 6 mesi oppure quando acquisisce il colore marrone. Nelle turbopompe che usano lubrificante solido esso va cambiato ogni sei mesi. I cuscinetti nelle pompe turbomolecolari durano da due a tre anni. Tutti i lavori di manutenzione e di sostituzione dei cuscinetti e soprattutto i lavori di regolazione sul rotore ad alta velocità vanno effettuati da personale esperto e altamente qualificato.
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