Tipi di  pompe per vuoto industriali

Il vuoto è un'utility impiegata in un'ampia gamma di processi manifatturieri industriali, tra cui confezionamento, imbottigliamento, essiccazione, degasaggio, pick and place, solo per menzionarne alcuni. Una pompa per vuoto industriale viene utilizzata per la creazione, il miglioramento e il mantenimento del vuoto in questi processi. In questo articolo verranno presi in esame i numerosi tipi di tecnologie per il vuoto industriale disponibili. Per comprendere quale sia il tipo di vuoto più adatto a una determinata applicazione è essenziale conoscere le caratteristiche, i vantaggi e il principio di funzionamento di ciascuna tecnologia. Nell'articolo verranno analizzati i tipi più comuni di pompe per vuoto industriali, il loro funzionamento e i tipi di applicazioni per cui sono più adatte.

Principio di funzionamento di base di una pompa per vuoto industriale

Il principio di funzionamento di base di una pompa per vuoto industriale resta lo stesso, indipendentemente dal tipo di tecnologia.

Le pompe per vuoto rimuovono le molecole d'aria (e altri gas) dalla camera del vuoto (o dal lato di uscita in caso di pompe per vuoto più elevato collegate in serie). Via via che la pressione nella camera si riduce, la rimozione di molecole aggiuntive diventa sempre più difficile. Di conseguenza, un sistema di vuoto industriale (Fig. 1) deve essere in grado di operare in un intervallo di pressioni straordinariamente ampio, generalmente compreso tra 1 e 10^-6 Torr/1,3 e 13,3 mBar  di pressione. Nel campo della ricerca e delle applicazioni scientifiche, tale intervallo viene esteso a 10^-9 Torr o valori inferiori. Per questo motivo un sistema di vuoto standard include tipi di pompe diversi, ciascuna delle quali gestisce una parte dell'intervallo di pressione, ricorrendo a volte al funzionamento in serie.

Intervalli di pressione dei sistemi di vuoto industriali

I sistemi di vuoto industriali possono essere suddivisi nei seguenti gruppi di intervalli di pressione:

• Vuoto basso/di base: da 1000 a 1 mbar/da 760 a 0,75 Torr
• Vuoto medio/fine: da 1 a 10^-3 mbar/da 0,75 a 7,5^-3 Torr
• Vuoto alto: da 10^-3 a  10^-7 mbar/da  7,5^-3 a 7,5^-7 Torr
• Vuoto ultra-alto: da 10^-7 a 10^-11 mbar/da 7,5^-7 a 7,5^-11 Torr
• Vuoto estremo: <10^-11 mbar/<7.5^-11 Torr

Pompe a trasferimento di gas 

Le pompe a trasferimento trasferiscono molecole di gas tramite lo scambio di quantità di moto (azione cinetica) o lo spostamento positivo. La quantità di molecole di gas scaricata dalla pompa è uguale alla quantità in entrata e il gas è leggermente sopra la pressione atmosferica al momento dell'espulsione.  Il rapporto di compressione è il rapporto tra la pressione di scarico (uscita) e la pressione più bassa ottenuta (ingresso).

Pompe a trasferimento cinetiche

Le pompe a trasferimento cinetiche utilizzano palette ad alta velocità o l'introduzione di vapore per convogliare il gas verso l'uscita, operando in base al principio del trasferimento di quantità di moto. Questi tipi di pompa possono ottenere rapporti di compressione elevati a basse pressioni, ma  generalmente non possiedono volumi sigillati.

Pompe volumetriche

Le pompe il cui funzionamento si basa sull'intrappolamento meccanico di un volume di gas e sul suo spostamento attraverso la pompa sono note come pompe volumetriche. Spesso progettate in più stadi su un unico albero motore, il volume isolato viene compresso in un volume più piccolo a una pressione più elevata; il gas compresso viene infine espulso nell'atmosfera o nella pompa successiva. Sono spesso due pompe di trasferimento vengono utilizzate in serie allo scopo di fornire un vuoto e una portata più elevati. 

Come menzionato in precedenza, le pompe per vuoto volumetriche vengono utilizzate per creare vuoti bassi. Questo tipo di pompa per vuoto provoca l'espansione di una cavità e consente ai gas di fuoriuscire dalla camera o dall'ambiente sigillato. Dopodiché la cavità viene sigillata e il suo contenuto viene scaricato nell'atmosfera. Il principio sottostante la pompa per vuoto volumetrica è quello di creare un vuoto espandendo il volume di un contenitore. Ad esempio, in una pompa dell'acqua manuale, un meccanismo espande una piccola cavità sigillata per creare un vuoto profondo. A causa della pressione, una certa quantità di fluido proveniente dalla camera viene spinta nella piccola cavità della pompa. Dopodiché la cavità della pompa viene sigillata dalla camera, scaricata nell'atmosfera e quindi nuovamente compressa a dimensioni minuscole. Un altro esempio di pompa per vuoto volumetrica potrebbe essere dato dal muscolo del diaframma, che espande la cavità toracica, provocando un aumento del volume dei polmoni. Questa espansione comporta la creazione di un vuoto parziale e una riduzione della pressione, con il vuoto che viene quindi riempito dall'aria spinta all'interno dalla pressione atmosferica. Le pompe per vuoto volumetriche includono, ad esempio, le pompe per vuoto ad anello liquido e le pompe roots, ampiamente utilizzate in vari settori per la creazione di vuoto in uno spazio confinato.

Pompe a intrappolamento

Le pompe che intrappolano le molecole di gas sulle superfici all'interno del sistema di vuoto sono prevedibilmente conosciute come pompe a intrappolamento. Queste pompe funzionano a portate più basse rispetto alle pompe per vuoto come le pompe a trasferimento; tuttavia sono in grado di fornire un vuoto estremamente alto fino a 10-12 Torr. Le pompe a intrappolamento funzionano utilizzando la condensa criogenica, la reazione ionica o quella chimica e non presentano parti mobili, creando pertanto un vuoto privo di olio.

Le pompe a intrappolamento il cui funzionamento si basa su reazioni chimiche offrono prestazioni più efficaci in quanto vengono solitamente posizionate all'interno del contenitore in cui è richiesto il vuoto. Le molecole d'aria creano una pellicola sottile che viene rimossa non appena il funzionamento della pompa provoca una reazione chimica sulle superfici interne della pompa. Le pompe a intrappolamento vengono utilizzate insieme alla pompe per vuoto volumetriche e alle pompe per vuoto a trasferimento di quantità di moto per la creazione di vuoto ultra-alto.

Pompe per vuoto a secco o a umido - Panoramica

Le tecnologie di pompe per vuoto sono dette a umido (lubrificate) o a secco (senza olio o con funzionamento a secco), a seconda del fatto che il gas sia esposto o meno all'olio o all'acqua durante il processo di compressione. 

Le pompe a umido si auto-lubrificano e/o si auto-sigillano utilizzando olio o acqua; questo fluido può contaminare il gas pompato. Le pompe per vuoto a secco, invece, non presentano fluido nel gas pompato, facendo affidamento su giochi rigorosi tra le parti rotanti e quelle statiche della pompa, su guarnizioni in polimero (PTFE) a secco o su una membrana per separare il meccanismo di pompaggio dal gas e garantire la tenuta stagna. 

Il funzionamento a secco, tuttavia, non è completamente privo di olio, in quanto olio o grasso vengono spesso utilizzati nei cuscinetti e negli ingranaggi delle pompe, anche se questi vengono utilizzati lontano dal lato di compressione del vuoto. Le pompe a secco riducono il rischio di contaminazione e i vapori d'olio. Presentano inoltre vantaggi ambientali, non richiedendo lo  smaltimento di olio come le pompe lubrificate.

Pompe centrifughe

Le pompe centrifughe sono macchine ad azionamento idraulico caratterizzate dalla loro capacità di trasmettere energia ai fluidi (in particolare ai liquidi) attraverso il lavoro di un campo di forze centrifughe. Il loro scopo principale è quello di trasferire fluidi tramite un aumento della pressione. Le pompe centrifughe possono avere strutture diverse, ma il loro principio di funzionamento e le caratteristiche dinamiche del fluido sono sempre le stesse.

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Tecnologia rotativa a camme

Le pompe per vuoto rotative a camme generano vuoto o aria compressa senza contatto in modo efficiente ed economico. Ciò è reso possibile dal principio della compressione interna nel design rotativo a camme. Le pompe per vuoto a camme si basano su un sistema di compressione statica. Rispetto ai modelli a lobi rotativi, la compressione avviene internamente per contrazione del volume.

Una pompa a camme è costituita da due rotori. Questi ruotano in direzioni opposte nell'alloggiamento di un compressore senza contatto rispettando giochi particolarmente stretti. Sono sincronizzati attraverso un ingranaggio di precisione. Via via che la camma si sposta sulla connessione di aspirazione e l'ingresso del canale di aspirazione assiale, il gas viene aspirato nella camera di compressione. Il gas viene precompresso all'interno della camera di compressione, quindi viene scaricato.

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Pompe rotative a vite

Una pompa per vuoto a vite è costituita da due rotori paralleli a forma di vite, una con una filettatura destrorsa e l'altra con una filettatura sinistrorsa. Entrambe le viti ruotano nell'alloggiamento del compressore senza attrito a giochi molti stretti.

Sono sincronizzate attraverso un ingranaggio di precisione. L'alloggiamento di compressione e la forma speciale delle viti formano le camere di compressione. A causa della rotazione opposta di entrambe le viti, la camera collegata con il foro di aspirazione è ingrandita e il gas viene trasportato nella camera di compressione. La camera si nuove quindi assialmente dal lato aspirazione al lato pressione (freccia).

Nei modelli a passo variabile il gas viene compresso a ogni variazione di passo e raffreddato prima del passaggio al passo successivo, per una maggiore efficienza. Sul lato pressione la camera viene spostata contro l'alloggiamento assiale fino a che la superficie anteriore della vite apre il canale della pressione e il gas precompresso viene scaricato attraverso l'attacco di pressione. Il raffreddamento avviene utilizzando una camera esterna raffreddata ad acqua. Per alcune dimensioni di pompe è possibile introdurre nella pompa gas di raffreddamento aggiuntivo.

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