Se sei interessato ai processi in ultra alto vuoto, avrai sicuramente sentito parlare delle pompe a diffusione. Di cosa si tratta? Come funzionano? Quali sono i loro vantaggi e svantaggi?
In questo breve tutorial cercheremo di rispondere a queste domande.
Le pompe a diffusione sono dispositivi statici, cioè privi di parti meccaniche in movimento, utilizzati come dispositivi di pompaggio primari in sistemi in cui il grado di vuoto richiesto è nell’intervallo tra 1e-4 e 1e-9 mbar. Questi sono i primi dispositivi sviluppati in grado di generare un’azione di pompaggio nel cosiddetto regime di vuoto molecolare, cioè quello in cui il cammino libero di ciascuna molecola presente in una camera chiusa è maggiore delle dimensioni della camera stessa. In queste condizioni, le molecole si muovono ad alta velocità, colpendo essenzialmente solo le pareti della camera a vuoto e i componenti interni dell’apparecchiatura. Non è quindi possibile affidarsi a sistemi di pompaggio basati su effetti viscosi, che implicano il fatto che ci siano interazioni efficaci tra le molecole di gas presenti, che sono invece totalmente assenti in questo regime.
Il funzionamento delle pompe a diffusione si basa sul trasferimento di quantità di moto tra un getto di vapore opportunamente diretto e le molecole del gas da pompare fuori dall’ambiente di lavoro: per questo motivo sono anche chiamate “pompe a getto di gas” e classificate come pompe a “trasferimento di quantità di moto”. Il loro nome deriva dal fatto che, durante il loro sviluppo iniziale, si notò che la diffusione di un gas in direzione opposta al moto di un getto di vapore era impossibile.
Il vapore utilizzato per ottenere l’azione di pompaggio deriva dal processo di riscaldamento/ebollizione di sostanze ad alto peso molecolare, stabili ad alte temperature, come idrocarburi, oli siliconici, esteri polifenilici e perfluoropolieteri (Fomblin). Storicamente, è stato utilizzato anche il mercurio, completamente abbandonato come fluido di lavoro al giorno d’oggi a causa dei rischi per la salute che comporta. Per questa applicazione, è importante scegliere sostanze con pressione di vapore molto bassa a temperatura ambiente, in modo che, condensando, non diano un contributo significativo alla pressione totale.
Nella sua configurazione base (Fig. 1), una pompa a diffusione ha un bollitore, generalmente riscaldato da una resistenza elettrica, un condotto centrale del vapore e una serie di ugelli, orientati verso la sezione ad alta pressione della pompa. In condizioni operative, il fluido di lavoro è alla sua temperatura di ebollizione: il vapore risultante fluisce attraverso il condotto centrale e, uscendo dagli ugelli ad alta velocità, trasferisce quantità di moto alle molecole di gas presenti, “trascinandole” verso il condotto di scarico. A quest’ultimo è collegata una pompa secondaria (ad es. del tipo a palette rotanti in bagno d’olio), in grado di mantenere una pressione di 1e-1 / 1e-2 mbar alla sezione di uscita. Il trasferimento di quantità di moto avviene per collisione tra le molecole di vapore e le molecole di gas presenti. Il vapore, quindi, entra in contatto con le pareti esterne della pompa, che sono mantenute a una temperatura prossima a quella ambiente mediante un sistema di raffreddamento ad acqua o ad aria. In questo modo, il vapore condensa a contatto con le pareti fredde e ritorna al bollitore sotto l’effetto della gravità.
Le pompe a diffusione moderne sono dispositivi multistadio, essendo dotate di diverse serie di ugelli, disposti a diverse altezze, in modo da garantire un salto di pressione sufficiente a raggiungere i gradi di vuoto indicati. Il numero di stadi utilizzati è spesso 3 o 4.
Per evitare che una frazione del vapore utilizzato per ottenere l’azione di pompaggio diffonda nella camera di lavoro, viene spesso utilizzato un dispositivo raffreddato chiamato baffle, che è costruito in modo da essere otticamente opaco nella direzione assiale della pompa, pur consentendo il passaggio delle molecole di gas da pompare (Fig. 2). Eventuali molecole di vapore dirette verso la bocca della pompa, incontrando il baffle, condensano sulle sue superfici fredde e vengono quindi catturate, impedendo il loro ingresso nella camera. Naturalmente, l’uso del baffle riduce la velocità di pompaggio.
È noto, tuttavia, che in determinate circostanze è possibile un riflusso di vapori nella camera di lavoro, e questo può portare alla contaminazione della camera stessa.
Per questo motivo, le pompe a diffusione sono spesso considerate ingiustamente dispositivi “sporchi”: in realtà, se utilizzate correttamente, hanno livelli estremamente bassi di riflusso di vapori che sono tollerabili in molte applicazioni.
Vantaggi delle pompe a diffusione
- Non hanno parti in movimento, il che le rende dispositivi molto robusti, affidabili e durevoli, anche in ambienti difficili (ad esempio a causa della presenza di contaminanti corrosivi).
- Possono essere costruite senza particolari difficoltà per gestire portate molto elevate.
- Generalmente, hanno un costo di acquisto inferiore, a parità di portata, rispetto a quello di altri sistemi di pompaggio. Per i motivi indicati sopra, anche il TCO è inferiore.
Svantaggi delle pompe a diffusione
- Necessitano di una pompa di supporto secondaria. Questa caratteristica è comune anche ad altre tecnologie, come quella delle pompe turbomolecolari.
- Per evitare di dover effettuare un ciclo di raffreddamento/riscaldamento ogni volta che la camera a vuoto viene aperta, deve essere prevista una valvola di isolamento (gate valve).
- Se esposte ad alte concentrazioni di agenti ossidanti (ad es. aria), anche accidentalmente, possono generare incendi o esplosioni, a causa del fatto che alcuni fluidi di lavoro utilizzati sono combustibili.
- Il fluido di lavoro può contaminare la camera a vuoto e i dispositivi in essa contenuti.
- Possono funzionare solo in posizione verticale.
- Periodicamente, l’olio deve essere sostituito e l’olio esausto deve essere smaltito.
Conclusioni
Per certi tipi di processi in alto vuoto, le pompe a diffusione sono un’eccellente alternativa, a volte preferibile ad altre opzioni, come le pompe turbomolecolari. Il loro principale vantaggio, infatti, è la semplicità e robustezza, che le rendono una scelta valida nelle applicazioni industriali dove sono richieste portate molto elevate e cicli di lavoro molto pesanti. Applicazioni tipiche si verificano nei seguenti processi:
- brasatura sotto vuoto.
- Saldatura a fascio elettronico.
- Grandi coater, specialmente per processi roll-to-roll.
- Grandi simulatori spaziali.