1. --
Università degli Studi di Padova
Corso di Laurea in Scienza dei Materiali
Modulo di “Tecniche
Vuoto e film sottili”
Dispensa 4
Pompe a Fluido Motore
Prof. V. Palmieri 1

2. Pompe a fluido motore
Nelle pompe a fluido motore, è sempre
presente _____________________________
________________ che, nel suo rapido
movimento trascina con sé _______________
______________________________________
• scaricandole nell‟atmosfera esterna
• comprimendole verso una zona dalla
quale vengono ____________________
__________________________________
________________________________.
______________________________________
______________________________________
______________________________________
_____________________________________
Esistono diversi tipi di pompe a fluido
motore, sia nel campo dei bassi e medi vuoti
che nel campo degli ultra-vuoti
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3. Pompe a eiezione
Quando un _____________________________________________
________________________________________ viene fatto
passare a elevata velocità nella camera (1) (collegata al sistema da
vuoto) attraverso l'ugello (2), esso si espande e acquista velocità in
relazione alla geometria dell'ugello e alla caduta di pressione subita.
Il flusso di fluido risulta così possedere velocità tale da dare luogo
ad un elevato trasferimento di ____________________________ tra
le particelle di fluido e le molecole del gas da pompare con velocità
nella direzione del moto del fluido.
Le molecole di gas vengono perciò trascinate dal fluido verso il
diffusore (3) dove il Prof. V. Palmieri compresso e scaricato
gas viene 3
______________________________________________________ .

4. Il fluido motore viene a questo punto condensato e
recuperato nell„ ___________________ donde viene
nuovamente vaporizzato e rimesso in ciclo, se si tratta di
vapore di olio, di mercurio o di acqua.
Se il fluido motore è costituito da acqua liquida esso viene
scaricato direttamente nell'atmosfera, evitando così l'uso
________________________________________. Anche
se come fluido motore si usa vapore d'acqua avviene
spesso lo scarico direttamente nell'atmosfera.
Se il fluido motore è invece costituito da vapori di olio o di
mercurio, la pompa a eiezione richiede sempre una pompa
preliminare per ovvie ragioni di costo, sicurezza e
reattività del fluido con l'atmosfera esterna.
Il rapporto v/u = Ma è detto numero di Mach;
______________________________________
______________________________________
______________________________________
______________________________________
______________________________________4
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5. Pompe ad eiezione operano generalmente a 1,98 Mach
Nelle pompe a eiezione a ________che scaricano
direttamente nell‟atmosfera, si può arrivare a 3
Mach. Se si dispongono più pompe a eiezione in
serie si può arrivare fino a (9 ÷ 11) Mach.
Si possono produrre vuoti dell'ordine di (10 ÷ 1)
Pa, se si usa vapore d'acqua, e fino a 10-2 se si
usano vapori di olio o mercurio.
Quando la pressione diminuisce, il libero
cammino medio delle molecole gassose cresce e i
________________ diventano sempre più deboli
e pertanto il trascinamento del gas è sempre più
dovuto alla sua diffusione nel getto di fluido;
In queste condizioni diventa però difficile per il
fluido ________________________ le molecole
del gas e si raggiunge perciò un limite nella
capacità delle pompe a eiezione di asportare gas.
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6. Se si vuole migliorare il vuoto finale
raggiungibile occorre aumentare la probabilità
di cattura delle molecole di gas da parte dei
vapori utilizzando una struttura diversa rispetto
a quella usata nelle pompe a eiezione.
Le pompe a eiezione sono particolarmente
usate in impianti industriali ove si richiedono
_____________________ e sono in gioco
___________________________da pompare.
Le pompe a eiezione utilizzanti acqua o
vapore d'acqua possono essere anche usate
come pompe preliminari, con il vantaggio di
non introdurre idrocarburi nel sistema da vuoto.
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7. Pompe a diffusione
(vuoti dell'ordine di 10-7 Pa - 10-8 Pa).
Sul fondo della pompa (ebollitore) si trova il fluido motore (1) (olio
o Hg) il quale viene riscaldato mediante un opportuno fornello
elettrico (2) in modo che i vapori prodotti salgano lungo il camino
(3) verso l'ugello (4) attraverso il quale escono "a ombrello" 7con
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grande velocità (supersonica).

8. Il gas da pompare, che penetra nella pompa
attraverso l'imboccatura, viene così trascinato e
compresso dai vapori verso la parte inferiore della
pompa dove è disposta l'apertura di scarico,
collegata a ____________________________ che
provvede a trasferire il gas nell'atmosfera esterna.
I vapori di gas che lasciano l'ugello e urtano le
pareti della pompa vengono _______________ per
effetto del raffreddamento delle pareti della
pompa, ottenuto, per esempio, mediante una
camicia a circolazione d'acqua.
I vapori condensati scivolano verso
_________________ della pompa dove avviene di
nuovo il riscaldamento e ricomincia così il ciclo.
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9. Le pompe a diffusione necessitano sempre di
_________________________________ che sia
in grado di ridurre la pressione nel sistema da
vuoto a (10 ÷ 1) Pa poiché a pressioni maggiori
la distribuzione del getto di vapore all'uscita
dell'ugello viene alterata dal gas e la velocità di
pompaggio della pompa a diffusione decresce
sensibilmente fino a diventare praticamente nulla.
Inoltre, se le pompe a diffusione vengono fatte
operare a pressioni relativamente elevate, i fluidi
usati _________________________________,
alla temperatura di funzionamento della pompa,
con il gas da pompare: si ha così un più o meno
rapido deterioramento del fluido motore e quindi
del funzionamento della pompa stessa.
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10. Sono tipiche le incrostazioni dovute a questa
ragione, che si manifestano nelle pompe a
diffusione di olio che hanno lavorato troppo
tempo a pressioni relativamente alte ( 10Pa) o
dopo __________________________________.
Le pompe a diffusione operano, quindi,
generalmente in condizione di regime
_____________________________ . In queste
condizioni il numero massimo di molecole che
per unita di tempo possono penetrare nella pompa
è proporzionale all'area della sezione d‟imbocco
della pompa stessa (di raggio r).
Se tutte queste molecole venissero catturate dal
getto di vapori ed eliminate attraverso la pompa
preliminare la velocità di pompaggio della pompa
a diffusione sarebbe la massima possibile, ovvero
corrisponderebbe alla velocità di pompaggio
teorica (St). Prof. V. Palmieri 10

11. In pratica non tutte le molecole che per unità di tempo
attraversano la sezione circolare di area r2 sono catturate
dal getto di vapore, bensì solo una frazione, in genere
compresa tra il __________________________ . Le altre
molecole ritornano verso la zona da evacuare. Il rapporto
tra il numero di molecole che vengono catturate e pompate
e quello totale delle molecole che attraversano la sezione
d'imbocco ovvero il rapporto tra la velocità di pompaggio
reale S della pompa e quella teorica S, è denominato fattore
HO ed è solitamente indicato come parametro
caratterizzante _________________________________
______________________________________________.
La velocità di pompaggio reale S di una pompa a
diffusione, oltre che dalle dimensioni dell'ugello e del
corpo della pompa, dipende dalla massa molecolare del gas
da pompare, dalla geometria dell'ugello, dalla tensione di
vapore dell'olio, della pressione preliminare (pressione
nella camera prima del V. Palmieri
Prof. collegamento alla pompa a
11
diffusione).

12. La velocità di pompaggio reale S di una pompa a
diffusione, oltre che dalle dimensioni dell'ugello
e del corpo della pompa, dipende dalla massa
molecolare del gas da pompare, dalla geometria
dell'ugello, dalla tensione di vapore dell'olio,
della pressione preliminare (pressione nella
camera prima del collegamento alla pompa a
diffusione).
Essenzialmente a causa della tensione di vapore
del fluido motore e della degassazione prodotta
dalle parti calde della pompa. Per raggiungere i
vuoti più spinti è necessario utilizzare opportune
trappole di vapori
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13. La velocità di pompaggio è maggiore per i gas leggeri
che per quelli pesanti e per esempio per i gas più leggeri
(He e H2) essa risulta solitamente superiore del 10% ÷
20% rispetto all'aria.
Alcune volte si manifestano _____________________
_____________________________, le cui cause
possono essere interne alla pompa oppure esterne. Le
cause interne di instabilità sono essenzialmente legate:
1) a ebollizione irregolare:
2) all'ebollizione del fluido motore al di fuori
dell'ebollitore;
3) alla presenza di goccioline di fluido motore nell'ugello;
4) a perdite in prossimità dell'ebollitore.
Le cause esterne sono invece spesso legate:
1) a bolle di gas originate dalle guarnizioni di tenuta;
2) a caduta di goccioline di fluido condensato nelle
trappole di vapori;
3) all'elevata pressione preliminare;
4) alla diminuzione di livello del liquido refrigerante
usato nelle trappole.
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14. Per rendere elevato il fattore HO, e quindi la velocità di
pompaggio di una pompa a diffusione, viene in pratica realizzata
una disposizione a più ___________________ (in genere fino a 4)
Pompa a diffusione a più
__________________ stadi.
__________________
__________________ 1. Riscaldatore,
__________________ 2. Ebollitore,
__________________ 3. Corpo della pompa,
4.Serpentine di
raffreddamento,
5. Flangia di connessione al
sistema da vuoto,
6. Molecola di gas,
7. Getto di vapore,
8. Tubo di collegamento al
vuoto preliminare.
A ÷ D Ugelli.
__________________
__________________
__________________
__________________
__________________
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15. Una disposizione più raffinata studiata da Hablanian e che
migliora il fattore HO, a parità di altre condizioni, rispetto alla
pompa a corpo cilindrico è quella m cui il corpo della pompa
assume una __________________________a livello del 1° stadio
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16. ______________________________________
______________________________________
______________________________________
______________________________________
______________________________________
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______________________________________

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19. Prof. V. Palmieri 19

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21. Prof. V. Palmieri 21

22. Prof. V. Palmieri 22

23. Fluidi motore
Come fluidi motore per pompe a diffusione
sono generalmente usati oli appositi (a
______________________________________) e
talvolta anche mercurio.
La scelta del fluido motore deve essere
effettuata in base alla pressione limite che si
desidera ottenere, alla resistenza, alla
__________________________________,
all'inerzia chimica rispetto ai gas da pompare, alla
composizione ammessa del gas residuo (privo o
meno di tracce di idrocarburi).
Il mercurio è un fluido motore che è utile in
applicazioni particolari; esso infatti non "inquina"
il sistema con idrocarburi e permette quindi di
ottenere "vuoti puliti". Inoltre il mercurio non si
decompone durante l'evaporazione e non si ossida
fortemente in caso di ______________________.
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24. Il Mercurio presenta i seguenti seri
inconvenienti:
1) una tensione di vapore relativamente alta ( 10-
1 Pa a temperatura ambiente) per cui è sempre
richiesto l'uso di opportune trappole di vapori
raffreddate alla temperatura dell'azoto liquido;
2) nocività per la salute per cui richiede
particolare cura;
3) incompatibilità con alcuni materiali
strutturali (oro, rame, iridio, alluminio, ecc.) con il
rischio di formazione di amalgama.
In conseguenza degli inconvenienti presentati
dal mercurio, come fluido motore, si preferisce
normalmente usare oli speciali.
L'uso del mercurio viene perciò di solito
riservato ad applicazioni particolari in cui sono
richiesti vuoti esenti Prof. V. Palmieri
da idrocarburi. 24

25. Attualmente sono disponibili diversi tipi di oli la cui scelta è legata al
tipo di pompa a diffusione e alla pressione finale che si intende
raggiungere. Evidentemente, le pressioni limite più basse sono
raggiungibili con oli che presentano bassissime tensioni di vapore.
Occorre però anche tenere presente la resistenza termica e chimica che
può variare da olio a olio.
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26. I vantaggi degli oli rispetto al mercurio possono riassumersi
come segue:
1) sono disponibili con tensioni di vapore molto basse (pari
anche a 7,7 · 10-8 Pa a temperatura ambiente);
2) in molti sistemi da vuoto (medio-alto vuoto) possono
essere usati senza che sia necessario adottare trappole
per vapori;
3) hanno peso molecolare superiore a quello del mercurio e
quindi possono fornire una quantità di moto maggiore
alle molecole di gas dando luogo a una elevata velocità
di pompaggio;
4) non sono tossici;
5) sono inerti rispetto ai Prof. V. Palmieri
normali materiali strutturali usati
26
nei sistemi da vuoto.

27. Andamento della velocità di pompaggio di una
pompa a diffusione (E 04, Edwards) in funzione
della pressione, con diversi tipi di oli
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28. Gli oli presentano però anche qualche
inconveniente che è opportuno ricordare:
1) sono costituiti da molecole complesse che si
possono decomporre anche nelle normali
condizioni di uso e specialmente alle più
alte temperature.
2) Si decompongono in presenza di _________
______________________________________
___________________________________
_____________________________ e i
prodotti di decomposizione possono rendere
molto complessa la composizione del gas
residuo. Se la decomposizione avviene alla
superficie di parti di apparecchiature
elettriche si possono avere fenomeni di
perdita di isolamento.
3) Si decompongono e reagiscono se esposti,
caldi, all'aria.
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29. Ebollizione e degassamento del fluido
motore
Affinché la pompa a diffusione presenti un
buon funzionamento è necessario che
l'ebollizione del fluido motore avvenga in modo
uniforme su tutta la superficie ed è perciò talvolta
introdotto nella pompa un opportuno agitatore
che, azionato dai vapori del fluido, tiene in
movimento il fluido stesso nell'ebollitore. Un
riscaldamento disuniforme può portare a
_______________________________________,
specialmente se si opera nel campo degli ultra
vuoti.
Occorre tenere anche presente che impurezze
provenienti dal sistema da vuoto possono
giungere alla pompa e mescolarsi al fluido
motore oppure possono essere già presenti in
esso. Può inoltre avvenire, se si usa olio come
fluido motore, che si formino dei prodotti volatili
di decomposizione. Prof. V. Palmieri 29

30. In ogni caso tali impurezze o tali
componenti deteriori dell'olio possono
peggiorare notevolmente il grado di vuoto
finale raggiungibile se non si evita fin
dall'inizio che raggiungano il sistema da
vuoto. Per eliminare o limitare questo
inconveniente, molte pompe sono munite
di una "zona di degassazione", compresa
nel circuito del fluido motore e attraversata
da questo prima di rifluire nell'ebollitore:
in questa zona le componenti più volatili
delle impurezze vengono eliminate dal
fluido e fatte asportare dalla pompa
preliminare.
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31. La degassazione è realizzata mediante un'accurata
distribuzione delle temperature nella pompa. Il
fluido motore condensato, che rifluisce verso
l'ebollitore distribuendosi in una sottile pellicola
sulle pareti della pompa, è riscaldato in genere a
circa 130 °C al di sotto dell'ultimo stadio inferiore
della pompa prima di rientrare nell'ebollitore: le
componenti volatili vengono perciò separate dal
fluido ed eliminate attraverso la pompa
preliminare, prima che possano risalire verso il 1°
stadio della pompa e quindi entrare nel sistema da
vuoto, come avverrebbe se raggiungessero
l'ebollitore insieme al fluido motore.
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32. Frazionamento dell'olio
Quando, come fluido motore, viene
utilizzato dell'olio, è opportuno
ricordare che esso può essere
costituito già dall'inizio da una
miscela di componenti a diverso
peso molecolare e con diversa
volatilità. Queste componenti
possono comunque prodursi durante
l'uso dell'olio nelle condizioni
operative normali. Per eliminare o
ridurre il più possibile gli effetti
negativi che questi componenti più
volatili possono, ovviamente,
procurare per quanto concerne la
pressione finale raggiungibile, sono
state realizzate pompe a diffusione
particolari, dette a ______________
_____________________________
Pompa a diffusione a _____________________________.
1. Sezione centrale dell'ebollitore,
2. Sezione anulare intermedia,
3. Sezione anulare estema,
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4. Cilindro di sud divisione dell'ebollitore.

33. In queste pompe, attraverso opportuni passaggi
obbligati, l'olio proveniente dalle pareti, dove è
condensato dopo l'espansione dagli ugelli, entra
prima nella parte più esterna dell'ebollitore, che è
collegata allo stadio inferiore: qui evaporano le
componenti più volatili che rimangono così nella
parte inferiore della pompa e non raggiungono il
primo stadio da cui potrebbero invece più
facilmente passare nel sistema da vuoto.
Nella parte immediatamente più interna
dell'ebollitore giunge, invece, l'olio con le
componenti un po' meno volatili, che rimangono
però confinate nel ________________. E così via.
L'olio che giunge nella parte centrale
dell'ebollitore, collegata al primo stadio, risulta
così continuamente ______________________
dalle componenti più volatili che, come si è già
detto, se raggiungono il primo stadio superiore
possono rifluire nel sistema da vuoto impedendo il
raggiungimento di pressioni limite più basse e
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"inquinando" il sistema con idrocarburi.

34. Riflusso di vapori e migrazione degli oli
Se non vengono adottate speciali precauzioni,
una parte del vapore del fluido motore usato
nella pompa a diffusione può lasciare la pompa
stessa ed entrare nel sistema da vuoto, con
evidenti effetti deleteri sulla pressione finale
ottenibile.
Oltre a questo riflusso di vapori provenienti
direttamente dalle pompe, può anche verificarsi
una migrazione di olio dalla pompa al sistema da
vuoto, per effetto del crearsi di un sottilissimo
__________________________________ nelle
parti superiori della pompa.
Questo sottile strato di olio tende a espandersi
lungo le pareti, anche se molto lentamente, fino a
giungere nell'ambiente da vuotare.
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35. Zone di origine del riflusso di vapori nel primo stadio di una
pompa a diffusione
Per eliminare o ridurre
sia il riflusso di vapori
sia la migrazione del
fluido motore esistono
schermi e trappole
La sorgente del
riflusso è
essenzialmente legata
all'ugello più alto della
pompa, che è in
collegamento diretto
con il sistema da vuoto
Nella figura, che rappresenta un particolare del primo
stadio di alcuni vecchi tipi di pompe a diffusione, si noti
come il vapore del fluido motore possa filtrare attraverso
il dado normalmente usato per fissare il deflettore e
passare quindi facilmente nel sistema in cui si deve fare il
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vuoto.

36. Il getto turbolento di vapore uscente dall'ugello
può, inoltre, spingere alcune goccioline o molecole
di olio verso la bocca della pompa.
Infine il bordo inferiore esterno del deflettore viene
bagnato e coperto di fluido che può così evaporare
verso il sistema da vuoto (data la temperatura, in
genere superiore a 100 °C, a cui si trova l'ugello).
L‟ordine di grandezza del riflusso può essere tale
da risultare anche intorno a 10-5 g/min per cm2 di
superficie della bocca della pompa.
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37. Con opportune modifiche del primo stadio, si può
ridurre sensibilmente 1 ordine di grandezza del
riflusso di vapori fino a circa 10-10 g/min per cm2
di superficie della bocca della pompa.
Le modifiche consistono essenzialmente
nell'eliminare il dado di fissaggio del deflettore,
nello schermare superiormente questo deflettore
con una superficie raffreddata in modo da avere
un bordo ripiegato leggermente verso l'alto.
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38. Disposizioni del 1° stadio di una pompa a diffusione,
atta a ridurre il fenomeno del riflusso di vapori
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39. Particolari strutture di pompe a diffusione (per es.
del tipo detto DIFFSTAK; hanno ridotto talmente
il riflusso dell'olio (utilizzando inoltre oli a
bassissima tensione di vapore, come il Santovac
5) che l'uso di trappole ad azoto liquido può
essere evitato pur ottenendo vuoti "puliti"
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40. Prof. V. Palmieri 40

41. Prof. V. Palmieri 41

42. Schermi e trappole di vapori
Per raggiungere i vuoti più spinti con pompe che
utilizzano un fluido motore (sia olio sia
mercurio) occorre impedire o limitare il più
possibile sia ____________________________.
A tale scopo si introducono schermi e trappole
che permettano di raggiungere vuoti dell'ordine
di _________anche con pompe a diffusione.
Questi dispositivi vengono applicati tra la pompa
e il sistema da vuoto e sono realizzati in modo da
avere:
• sia una elevata efficienza nel bloccaggio
di vapori o dell‟olio in migrazione
superficiale
• sia riducendo il meno possibile la
velocità di pompaggio effettiva nel sistema
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43. Le trappole sono realizzate in modo
da impedire un "cammino diretto" di vapori dalla
pompa al sistema in cui si deve fare il vuoto e
quindi
da costringere i vapori a urtare almeno una volta
la superficie per farveli condensare sopra;
inoltre, data l'estensione e la forma delle superfici
interne di queste trappole, si ottiene l'interruzione
della migrazione superficiale dell'olio.
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44. Le trappole possono essere raffreddate
mediante circolazione d'acqua oppure per effetto
Peltier.
Utilizzando l'effetto Peltier si riesce a
raffreddare le superfici della trappola fino a circa
30 °C al di sotto del punto caldo; se il punto caldo
è raffreddato con acqua, la trappola può essere
raffreddata fino a circa –17 °C.
Le trappole possono essere "ad anelli
concentrici" (Ciascun anello o disco è in contatto
termico con il tubo in cui circola il liquido
refrigerante)
Oppure possono essere "a chevron" poiché sono
costituite da tanti piatti a forma di V disposti l'uno
dopo l'altro, trasversalmente rispetto all'asse della
pompa.
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45. Tipiche trappole per vapori provenienti da pompe
a diffusione
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46. Schema di un sistema di pompaggio costituito da
una pompa a diffusione + rotativa, dotato di
trappole per vapori d‟olio.
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47. Le pressioni nel campo degli ultra-vuoti sono però
raggiungibili solo con trappole raffreddate alla
temperatura dell'azoto liquido.
Le superfici raffreddate alla temperatura dell'azoto
liquido permettono una ___________________
_________________________dei vapori e
diminuiscono grandemente la tensione di vapore
del fluido motore usato.
Per mantenere costante il livello dell'azoto liquido
in queste trappole ed evitare quindi oscillazioni
della pressione limite, si usa spesso un sistema
automatico di caricamento dell'azoto liquido.
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52. Esistono trappole che non necessitano di
raffreddamento e che utilizzano le proprietà di
adsorbimento di materiali come zeoliti o allumine.
Su ripiani diversi disposti in successione sono
contenuti sferule o cilindretti di allumina o zeolite che
permettono di bloccare sia il riflusso di vapori sia la
migrazione superficiale dell'olio.
Queste trappole hanno una attività che può durare
anche diversi giorni; dopo un certo tempo, comunque,
il materiale adsorbente usato si satura e deve essere
cambiato o rigenerato con un trattamento termico in
vuoto o in aria, a temperatura compresa tra 250 °C e
400 °C.
Trappole di questo tipo, ma con un riempimento più
compatto di materiale adsorbente, sono anche usate
per bloccare i vapori di olio delle pompe rotative.
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