1. Università degli Studi di Padova
Corso di laurea in Scienza dei Materiali
Modulo di
“Tecniche di Vuoto e Film Sottili”
prof. V. Palmieri
www.surfacetreatments.org
Superconductivity Lab - Laboratori Nazionali di Legnaro
Istituto Nazionale Fisica Nucleare - Viale dell'Universita', 2
35020 Legnaro (PADOVA) - ITALY
Produzione del Vuoto: Pompe Meccaniche
Dispensa 1 - Parte 3

2. Prof. V. Palmieri_ UniPD 47
Pompe Roots
Questo tipo di pompe meccaniche ha
una apprezzabile applicazione nel campo
dei bassi e medi vuoti, soprattutto allorché
si debba trasferire _____________ di gas.
Le pompe Roots operano normalmente
in combinazione con ______________,
per esempio, del tipo rotativo; si possono
così raggiungere pressioni limite
dell'ordine di ________ Pa e anche minori.

3. Prof. V. Palmieri_ UniPD 48
Generalmente le pompe Roots sono messe in
funzione quando la pressione è già stata diminuita
dalla pompa preliminare fino a meno di 100 Pa. Il
vuoto preliminare richiesto può essere anche
peggiore e, per esempio, di qualche centinaio di
pascal; in queste condizioni si possono verificare,
però, eccessivi surriscaldamenti e riflusso di gas
verso il sistema da vuotare.
La pompa Roots è costituita essenzialmente da
due ____________ a forma approssimativamente
di _________, rotanti in senso opposto in una
camera connessa da una parte al sistema da vuoto
e dall'altra alla pompa preliminare. I rotori
_______________________________________,
né ____________________________________;
il gioco tra i rotori e la parete e tra rotore e rotore
è di alcuni ________________________ o meno;
in tale modo il movimento dei rotori avviene
__________________________ e senza necessità
di ____________________.

4. Prof. V. Palmieri_ UniPD 49
Schema costruttivo e di funzionamento di una pompa Roots
Il gas da pompare viene
• ____________ attraverso l'imboccatura (1) della pompa,
• “______________" e compresso nel volume operativo (2),
• compresso tra un __________________ e la semicamera
• scaricato verso la _____________ attraverso l'apertura (3)

5. Prof. V. Palmieri_ UniPD 50
Il rapporto di compressione ottenibile
dipende dal gioco tra i rotori e tra rotori e
parete della camera; esso dipende anche
dalla pressione prodotta dalla pompa
preliminare e raggiunge un massimo per
pressioni comprese tra_________________
________________________.
Con un pompa Roots a uno stadio si può,
per esempio, raggiungere rapporti di
compressione dell'ordine di ___________,
a una pressione preliminare di 133 Pa,
mentre essi scendono intorno a 15: 1, a una
pressione preliminare di _____________.

6. Prof. V. Palmieri_ UniPD 51
La velocità di pompaggio effettiva e la
pressione limite di una pompa Roots
dipendono sensibilmente dalle caratteristiche
della pompa preliminare usata.
Poiché ovviamente le due pompe sono
attraversate dalla stessa quantità di gas deve
infatti valere l'equazione di continuità:
_________________________________
, dove Sv è la _______________________
della pompa preliminare alla pressione pv
(all'uscita della pompa Roots) e SR è la
_______________________ della pompa
Roots alla pressione pR (all'imboccatura di
ingresso di questa pompa).

7. Prof. V. Palmieri_ UniPD 52
Il rapporto pv/pR = KR rappresenta il rapporto
di compressione della pompa Roots. La
velocità di pompaggio effettiva della pompa
Roots potrà perciò essere scritta, utilizzando
l'equazione di continuità sopra citata, nel
modo seguente: SR = KR · Sv.
I fattori di compressione sono generalmente
forniti dal costruttore, in funzione della
pressione preliminare pv; nota Sv è perciò
possibile risalire facilmente a SR.

8. Prof. V. Palmieri_ UniPD 53
Il valore massimo che SR può assumere è dato
dalla velocità teorica o normale della pompa,
St definita come prodotto del numero di giri al
minuto compiuti dai rotori (n) e del volume
operativo della pompa (Vs);
cioè St; = n Vs.
Il rapporto tra la velocità effettiva (SR) e quella
teorica (St) è denominato
____________________________ della
pompa ed è spesso dato dal costruttore in
funzione di py, come un parametro
caratteristico della pompa stessa.
Il ______________________ che può
assumere KR, cioè il massimo rapporto di
compressione, è dato da pv/pp quando la
velocità di pompaggio effettiva è zero. I valori
di KR massimo (KRM) in funzione di py sono i
parametri più comunemente dati per
caratterizzare una pompa Roots.

9. Prof. V. Palmieri_ UniPD 54
Se si vuole determinare la
pressione limite ottenibile con
una combinazione di una
pompa preliminare che
permette di ottenere una
pressione finale pari a pvl ed
una pompa Roots di cui è noto
il valore di KRM alla pressione
pyl basterà applicare la
semplice relazione:
pl = pyl /KRM
Tipico esempio di andamento di KRM
in funzione di pv
dove pl è il valore della pressione limite all'imboccatura di
ingresso (rispetto al sistema da vuoto) della pompa Roots.
Dipendenza del rapporto KRM delle pompe Roots, in
funzione della pressione preliminare pV. I dati riguardano
aria ed elio

10. Prof. V. Palmieri_ UniPD 55
Pompe a secco a lobi rotanti
Vi sono applicazioni industriali, un vuoto esente da
______________, o vuoto pulito, è critico per la riuscita del
processo. Nella ricerca, il vuoto "pulito" è richiesto
principalmente nelle grandi macchine per la fisica delle
particelle o per la _____________.
Sono stati recentemente sviluppati diversi tipi di pompe a
secco, basate su rotori non lubrificati e senza contatto, che
evitano, o abbassano notevolmente, l'inquinamento da
idrocarburi dei processi e che non producono, quando sono
utilizzate in processi altamente inquinanti, liquidi
contaminati da smaltire.
Confrontate con le pompe a olio, le pompe a secco hanno
i seguenti vantaggi:
- non vi sono ______________________________,
- non vi sono ______________________________,
- non vi sono ______________________________.

11. Prof. V. Palmieri_ UniPD 56
Lo svantaggio principale, a parità di
portata, è _____________________;
una pompa a secco può facilmente
arrivare a costare quattro volte più della
corrispondente a olio e quindi vi deve
essere una motivazione precisa per la
sua scelta come l'utilizzo in processi
altamente ___________ o il pompaggio
di solventi organici.

12. Prof. V. Palmieri_ UniPD 57
Le pompe a secco, utilizzate in applicazioni
gravose nelle industrie di processo, hanno le
seguenti caratteristiche:
- tollerano ______________________,
- hanno una buona _______________________,
- sono ________________________________,
- sono _____________________________,
- sono _____________________________
Le pompe a secco attualmente più progredite e
utilizzate sono:
• pompe ____________ multistadio,
• pompe a ____________,
• pompe ______ o combinazioni ___________.

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15. Prof. V. Palmieri_ UniPD 60

16. Prof. V. Palmieri_ UniPD 61
Pompe con meccanismo Roots multistadio
Per passare da ________________ a una
pressione di circa 0,05 Pa, tutte le pompe che
utilizzano un meccanismo tipo Roots
necessitano di almeno _____________ che
possono essere sia _______________ su un
unico albero, quindi in un'unica pompa, sia
formati da tre pompe separate e collegate in
serie in un ____________________.
Il _______________________ è una
potenziale fonte di problemi per tutte le pompe
Roots. Il calore creato in ogni fase di
compressione viene ______________________
e allo statore. Il fenomeno viene accentuato dalla
retroespansione del gas, alla pressione di scarico
del tubo di scarico, alla camera di pompaggio
dove subisce una ulteriore compressione con
conseguente _____________________.

17. Prof. V. Palmieri_ UniPD 62
Una soluzione adottata per ovviare a questo
problema consiste nel _____________________
in modo controllato il gas allo scarico, utilizzando
uno __________________________ raffreddato
ad acqua. Il fenomeno di retroespansione del gas
nella camera di pompaggio dopo il
raffreddamento è un buon metodo di
raffreddamento dei rotori.
Nella maggior parte dei meccanismi il gas
raffreddato è volutamente reinserito negli stadi
precedenti e miscelato con il nuovo gas pompato
all'interno della pompa per aiutare il processo di
raffreddamento.
Questi dispositivi eliminano circa 1'80% del
calore generato dalla potenza del motore; il resto
viene dissipato nell'ambiente.

18. Prof. V. Palmieri_ UniPD 63
Pompe con meccanismo a uncino (Claw)
A differenza del Roots, il meccanismo a
Claw è un vero e proprio compressore che può
scaricare a pressione atmosferica, senza
raffreddamenti sullo scarico o valvole by-pass. I
rotori a Claw, senza contatto, sono cilindrici per
quasi tutta la loro circonferenza, con una
profonda depressione seguita da un "uncino"
sporgente su di un quadrante.
Durante la fase di rotazione l'uncino entra nella
depressione del rotore accoppiato e viceversa.
L'ingresso e l'uscita del meccanismo sono posti
assialmente anziché radialmente come nelle
pompe Roots.

19. Prof. V. Palmieri_ UniPD 64
Mentre ___________________ ruotano, il gas
entra attraverso una porta di ingresso allineata
alla cavità di uno dei due rotori. La rotazione
continua chiude l'ingresso mentre
__________________ comprime il volume del
gas fino a quando la cavità del secondo rotore
mostra l'uscita o la porta di scarico.
Il meccanismo è quindi
____________________________. Un volume
minimo resta all'interno della camera ed è
trasportato nel ciclo successivo di pompaggio.
Per passare da pressione atmosferica a una
pressione __________________________, il
meccanismo a Claw richiede ______________
alloggiati in un corpo pompante.

20. Prof. V. Palmieri_ UniPD 65

21. Prof. V. Palmieri_ UniPD 66

22. Prof. V. Palmieri_ UniPD 67

23. Prof. V. Palmieri_ UniPD 68

24. Prof. V. Palmieri_ UniPD 69

25. Prof. V. Palmieri_ UniPD 70
La compressione più efficiente del gas pompato
con il meccanismo a Claw significa che la
porzione di potenza del motore utilizzata per la
compressione del gas, invece che per il suo
riscaldamento, è superiore a quella fornita dal
meccanismo Roots meno efficiente.
Il meccanismo a Claw ha la capacità di
raggiungere _________________________ ad
_________________. A 100 Pa è possibile
raggiungere un rapporto di 50:1 mentre
all'atmosfera tipico è un rapporto di 25:1.
Il meccanismo Roots, che può raggiungere un
rapporto di compressione di 25:1 con 100 Pa allo
scarico ha, per contro, una conduttanza
comparativamente migliore, mostrando una
capacità di pompaggio per pressioni inferiori.

26. Prof. V. Palmieri_ UniPD 71
Esistono pompe che utilizzano
la
_____________________
_____________________
_____________________
___________ per raggiungere
pressioni attorno a 10 Pa e altre
che combinano tre stadi Claw e
uno Roots e che sono in grado di
raggiungere ______________
____________________
_____________________

27. Prof. V. Palmieri_ UniPD 72
Pompe a secco a membrana e
scroll
Sono pompe a portata limitata
(Impiegate per pompaggi
particolarmente puliti?!?)

28. Prof. V. Palmieri_ UniPD 73
Pompa a membrana
La pompa a membrana sfrutta la flessibilità di
un diaframma operato da un pistone che, con un
_______________________________________
__________________________, genera una
compressione e una aspirazione intermittenti.
Queste pompe, nella versione a più stadi,
possono raggiungere _________ Pa.
Tale pressione consente di accoppiarle a
pompe turbomolecolari con stadio drag o a
pompe molecolari, realizzando piccoli sistemi da
medio e alto vuoto senza
____________________________.

29. Prof. V. Palmieri_ UniPD 74

30. Prof. V. Palmieri_ UniPD 75
Pompe scroll
La pompa scroll è una pompa che sfrutta la
compressione via via crescente che un volume
d'aria subisce per riduzione progressiva del
condotto a spirale ottenuto da
_______________________________________.

31. Prof. V. Palmieri_ UniPD 76
Una delle due chiocciole, detta ____________,
è ferma, mentre l'altra, il________________,
opera un movimento rototraslatorio di 5 mm
per ciclo. Il gas viene condotto dall'ingresso
della pompa, posto sulla prima spirale dello
statore, verso il centro della chiocciola (statore)
che coincide con _________________.
La pressione raggiunta da una pompa scroll è
inferiore a 0,8 Pa.

32. Prof. V. Palmieri_ UniPD 77

33. Prof. V. Palmieri_ UniPD 78

34. Prof. V. Palmieri_ UniPD 79

35. Prof. V. Palmieri_ UniPD 80

36. Prof. V. Palmieri_ UniPD 81

37. Prof. V. Palmieri_ UniPD 82

38. Prof. V. Palmieri_ UniPD 83

39. Prof. V. Palmieri_ UniPD 84

40. Prof. V. Palmieri_ UniPD 85

41. Prof. V. Palmieri_ UniPD 86

42. Prof. V. Palmieri_ UniPD 87

43. Prof. V. Palmieri_ UniPD 88

44. Prof. V. Palmieri_ UniPD 89
________________________________________
________________________________________
________________________________________
________________________________________
________________________________________

45. Prof. V. Palmieri_ UniPD 90

46. Prof. V. Palmieri_ UniPD 91
Pompe turbomolecolari
Le pompe molecolari sono basate su un
principio indicato da Gaede già nel 1913
secondo il quale le molecole o gli atomi
di gas da pompare, quando urtano una
superficie ________________________
______________________________ in
condizione di prevalenti urti contro le
pareti (cioè a basse pressioni), ricevono
un impulso in modo da muoversi in una
direzione specifica (quella secondo cui si
muove la superficie urtata) e si ha quindi
un flusso di gas in questa stessa
direzione.

47. Prof. V. Palmieri_ UniPD 92

48. Prof. V. Palmieri_ UniPD 93

49. Prof. V. Palmieri_ UniPD 94
Una pompa turbomolecolare è costituita da uno
______________ (1) e da un ______________ (2)
con albero munito di dischi che sono disposti a
piccola distanza (in genere < 1 mm) da altri dischi
e solidali con lo statore.
Il rotore gira a elevatissima velocità rispetto allo
statore, compiendo fino a 60.000 giri al minuto.
Il gas aspirato all'imboccatura (3) d'ingresso viene
perciò "trascinato" verso uno sbocco (4) collegato
a una pompa preliminare che provvede a espellerlo
definitivamente nell'atmosfera.
Il rapporto tra ___________________________
della pompa e _________________________
(cioè in pratica nel sistema da vuoto) rappresenta il
rapporto di compressione ottenibile e dipende dalla
velocità di rotazione dell'albero, dal volume libero
tra i dischi, dal tipo di gas.

50. Prof. V. Palmieri_ UniPD 95

51. Prof. V. Palmieri_ UniPD 96

52. Prof. V. Palmieri_ UniPD 97
Andamento del ______________________________ per
alcuni gas in funzione della ______________________
dell'albero di una pompa turbomolecolare con una
pressione allo scarico mantenuta a 10 Pa
[pompa con velocità di pompaggio nominale di 4250 L/s;
da W. Becker, Vak. Tech., 10 (1961) 199].

53. Prof. V. Palmieri_ UniPD 98
Tipico andamento delle velocità di pompaggio per
______________________________, in funzione
della pressione, in una pompa turbomolecolare.
____________________________________
____________________________________
____________________________________
____________________________________

54. Prof. V. Palmieri_ UniPD 99

55. Prof. V. Palmieri_ UniPD 100
Ceramic is lighter, harder smoother and
______________________________________.
So a ceramic ball bearing can run faster, hotter
and __________________________________
Then any steel ball bearing. The
______________________________________
_____________________________ is critical

56. Prof. V. Palmieri_ UniPD 101

57. Prof. V. Palmieri_ UniPD 102

58. Prof. V. Palmieri_ UniPD 103

59. Prof. V. Palmieri_ UniPD 104

60. Prof. V. Palmieri_ UniPD 105
I rapporti di compressione ottenibili in genere
giungono fino a 108 per aria e a 103 per
idrogeno.
La velocità di pompaggio di queste pompe si
mantiene _______________________________
in un ampio intervallo di pressioni (da circa 10-1
Pa a 10-7 ÷ 10-8 Pa) per aria mentre diminuisce
rapidamente per idrogeno al di sotto di 10-6 Pa.