DRY VACUUM PUMP DRY VACUUM PUMP TECHNOLOGIES TECHNOLOGIES Le tecnologie delle pompe Le tecnologie delle pompe a secco a secco Dr.Joris Cinquetti Cinquepascal srl
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DRY VACUUM PUMP TECHNOLOGIES Le tecnologie delle pompe a secco
Dr.Joris Cinquetti Cinquepascal srl
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Drypumping Technology La tecnologia del pompaggio a secco E UNA
TECNOLOGIA BEN STABILIZZATA; per le applicazioni industriali pi
gravose si pu contare su : 20 anni di esperienza >150.000
drypump installate Semiconductor Processing Dusty Application (CVD)
Applicazioni Aggressive (Etching) Processi Chimici Processi con
Acidi e solventi in applicazioni che presentano spesso il rischio
di ingestioni liquide
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Drypumping Technology Quali sono le ragioni per utilizzare le
pompe a secco se sono pi care delle pompe tradizionali?
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Perch il pompaggio a secco? Lolio il punto critico nei processi
di pompaggio I meccanismi di pompaggio sono senza olio (OIL FREE) e
quindi non vi nessun processo connesso al degrado dellolio nelle
pompe a secco. Con lolio quello che entra in pompa non ancora fuori
dal processo! Lingresso di polveri nellolio conduce alla formazione
di una melma compatta che pu rigare i meccanismi ed indurre perdita
nelle prestazioni della pompa, oppure pu occludere le linee di
lubrificazione danneggiando definitivamente i meccanismi. I vapori
condensabili (tipicamente lacqua) emulsionano nella pompa
modificandone le caratteristiche e potenzialmente corrodendola.
Lolio viene attaccato e degradato da molti prodotti di processo
(solventi o gas da plasma, etc)
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Vantaggi del pompaggio a secco Riduzione dei costi di processo
Sicurezza e Affidabilit I meccanismi non sono a contatto tra loro
Minima usura Riduzione della manutenzione ordinaria olio e filtri
Riduzione della manutenzione straordinaria la pompa aggredita e
corrosa tipica dellolio non pi cos frequente e la manutenzione
solamente dedicata alla integrit meccanica (esempio i cuscinetti) e
prevedibile su tempi lunghi (6 anni)
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Vantaggi del pompaggio a secco l Pompaggio di vapore acqueo,
solventi ed aggressivi con possibilit di diluizione forte per gas
corrosivi, tossici e piroforici l Possibilit di recuperare il
solvente pulito allo scarico della pompa l Possibilit per polveri
solide di attraversare il meccanismo pompante. Questa possibilit
non esiste nelle pompe con olio nelle quali la contaminazione
solida finisce con rompere il meccanismo l Possibilit di lavorare a
qualsiasi pressione intermedia senza particolari problemi
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Benefici comuni ai vari tipi di pompe a secco Benefici
ambientali Nessun olio da stoccare. Nessun olio da smaltire Nessun
olio emesso in ambiente Nessun olio respirato dal personale
Benefici tecnologici di processo Uniformit nel tempo delle
prestazioni delle pompe Recupero facilitato dei gas pompati e
facilit di trattamento degli stessi Processi puliti Non vi
inquinamento della camera di processo Non vi inquinamento del gas
pompato Non vi cross contamination
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Applicazioni Distillazione Essiccamento Evaporazioni Reattori
Pompaggio e Recupero Solventi Pompaggi in sterilizzatori con ossido
di etilene Impianti centralizzati Pompaggio di gas con basse
temperatura di auto-ignizione (T4) Pompaggio di gas infiammabili
(IIA,IIB) Pompaggio di gas corrosivi Pompaggio di acidi grassi
Ricircolo gas di processo (azoto elio etc) Fornaci da vuoto
(metallurgia) Liofilizzazione
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Principi delle Dry Pump Technologies Nellindustria: Lobi tipo
Roots e multiroots Vite Claw e multiclaw e combinazioni Palette di
grafite Le pompe a secco debbono garantire che potenziali
contaminazioni passino attraverso i meccanismi. Nei laboratori di
ricerca Scroll Membrana Pistone e multipistone Grafite Setacci
molecolari Rotativa a palette di grafite Le pompe a secco debbono
principalmente garantire la non contaminazione del sistema in
vuoto
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Pompa a vite -Screw pump
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Screw Pumps - Generalit Principio ben utilizzato per i
compressori, adattato per il vuoto. Il meccanismo pompante
costituito da due viti senza fine, a passo costante, che ruotano
sincrone con piccole tolleranze. Il gas pompato muove assialmente
sospinto dal moto spiraleggiante della vite verso lo scarico. Le
viti agiscono come una tenuta dinamica e tutto il pompaggio avviene
nellultimo quarto di giro. Originalmente sono state sviluppate per
il pompaggio di gas radioattivi, poi per lindustria chimica
(tolleranza al pompaggio di vapori e di liquidi) ed infine per
applicazioni nei semiconduttori. Pu essere orizzontale o verticale
dipende dal costruttore e dal settore merceologico a cui si
rivolge. Il vuoto finale dato dal numero di eliche nella vite e
dalle tolleranze tra le eliche e lo statore. Vuoto ultimo misurato
con Pirani : 0,001 mbar
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Meccanismo a vite orizzontale
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Screw pump- Pompa a vite
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Pompa a vite orizzontale
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Pompa a vite verticale
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Pompe a VITE : Caratteristiche positive Buon vuoto finale ed
elevate portate Costruzione apparentemente semplice Facile da
smontare Ottimo smaltimento di liquidi Possibilit di flussare i
solventi durante il pompaggio Elevato rapporto di compressione
Mancanza di zone di intrappolamento per il gas o per le polveri
trascinate nel pompaggio Il flusso nella pompa diretto La pompa non
richiede condensatori di interstadio Possibilit di riscaldare
uniformemente lo statore prevenendo la condensazione
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Pompe a VITE : Limiti Non vi compressione del gas se non nella
elica che connessa allo scarico. Il volume costante lungo lasse di
pompaggio e non vi sono stadi di compressione Il gas subisce una
grande quantit di lavoro con conseguente consumo di energia Lavora
molto calda sullo scarico, la temperatura pu superare i 300 gradi
in una zona limitata vicino allo scarico Le viti vanno cambiate a
coppia e sono molto complicate da produrre I rotori sono molto cari
anche per il coating protettivo usato come letto sacrificale. Nel
tempo il valore del vuoto finale peggiora con il diminuire del
coating (pu arrivare anche ad 1 decade) Le polveri contribuiscono
alla rovina del coating per abrasione fra i rotori in un moto
circolare. Il volume costante attraverso il meccanismo significa
che un volume grande di gas viene ricompresso allo scarico.Maggiore
la ricompressione maggiore il consumo di energia (anche vicino alla
pressione finale) e pi alta la temperatura che pu arrivare ai 300 o
C. Il raffreddamento di una pompa a vite vitale soprattutto vicino
allo scarico, vicino ai cuscinetti ed allolio per rimuovere il
calore in eccesso. Molti gas e materiali di processo possono
polimerizzare alle temperature elevate. Le elevate temperature
possono ridurre le vita dei componenti
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SCREW Pompa a vite Il contatto evidente in questo punto sullo
scarico atmosferico La tolleranza ed il numero di spire cruciale
per determinare il vuoto finale. La portata determinata dal volume
del gas intrappolato tra le spire.
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Curve tipiche della pompa a vite
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Considerazioni sui meccanismi a vite TEMPERATURA PRESSIONE I
picchi di temperatura e pressione possono causare reazione nei gas
pompati Bisogna utilizzare molta acqua & N2 per contenere i
picchi di temperatura I solidi possono condensare sulle superfici
fredde Valore Posizione La Ri_ compres- sione del gas richiede
molta potenza
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Considerazioni sui meccanismi a vite Richiedono cuscinetti in
alto vuoto in alcuni modelli I rotori vengono forzati ed abrasi dai
depositi: alcuni costruttori prevedono la pulizia col vapore dopo i
pompaggi 5 oil seals in alcuni modelli Suscettibile ai fenomeni di
exhaust backpressure; possono esserci problemi nellaccoppiamento
con tecnologie di abbattimento vapori
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Pompa a lobi rotanti -Roots Pump
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Pompa Roots Pompa a trasferimento di gas che utilizza due o pi
lobi rotanti sincronizzati per muovere il gas. Vuoto ultimo
misurato con Pirani : 0,0001 mbar Oil free. Utilizzata normalmente
per aumentare il vuoto finale e la portata della pompa di prevuoto.
Speed range 250 - 30.000 m 3 /h
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Roots
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Meccanismo Roots Trilobato
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Roots pump VANTAGGI Alto rapporto di compressione volumetrico
alle basse pressioni Meccanismo molto conosciuto SVANTAGGI Richiede
pompa preliminare (pi stadi di pompaggio) Compressione bassa alle
alte pressioni Dilatazione eccessiva (forte raffreddamento)
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Pompa Booster Il meccanismo roots un dispositivo senza valvole
dove una coppia di rotori a lobi, interconnessi e sincronizzati,
ruotano in direzione opposte con un minimo gioco luno rispetto
allaltro e rispetto alle pareti dello statore. Il gas intrappolato
allingresso di ogni lobo ed incanalato verso luscita lungo le
pareti dello statore. Rimuove grandi volumi di gas ma non un vero
compressore La sua efficienza al massimo tra 1 e 10 -2 mbar
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Problemi di retroespansione del gas Il meccanismo Roots non
adatto per scaricare ad alta pressione con un alto rapporto di
compressione. Una tale operazione comporta un grande lavoro da fare
sul gas e comporta problemi di riscaldamento che possono portare al
blocco del meccanismo stesso.
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Rapporto di compressione Ratio of Inlet pressure (mbar) 50 40
30 20 10 -3 -2 0 1 2 3 Outlet pressure Inlet pressure
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Meccanismo a dente - Claw Mechanism
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Meccanismo a Claw singolo VANTAGGI Autovalvolante Buona
compressione allatmosfera con poco calore generato Capacit di
pompare vapori e polveri Compattezza Facilit di diluizione del gas
pompato con ballast SVANTAGGI Il vuoto finale di uno stadio di un
centinaio di millibar Vi una zona di rientro gas pompato che se
riempito di liquido potrebbe bloccare la pompa Necessit di gas per
la pulizia delle tenute Poca compressione alle basse pressioni
Meccanismi a stadi multipli Meccanismi roots multistadi Dente a
claw Meccanismi multi-claw Multistadi claw invertiti Multistadi
claw invertiti con stadi roots
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Meccanismi roots multistadio
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Meccanismo a tre stadi con valvole interne Tre stadi con
cinghie Compressione povera Valvole di interstadio Manutenzione
complessa Raffreddamento motore forzato Disponibile solo per
pompaggi molto puliti Minima capacit di pompaggio liquidi No
explosion testing Inadatta agli attacchi chimici Quasi scomparsa
dal mercato
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Tre stadi roots con condensatori dinterstadio Compressione
inefficiente Eccessiva generazione di calore Essenziale lInterstage
cooling Rischi elevati di : Cooler blockage Condensation Chemical
attack
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Questo meccanismo a 6 stadi permette di raggiungere 10-2 mbar.
I primi 3 meccanismi bilobati non hanno scambiatori di calore di
interstadio, mentre il secondo gruppo di 3 rotori trilobati li
prevede. I lobi sono montati su una coppia di assi diversi tra loro
poich un asse troppo lungo potrebbe flettere sotto carico e
bloccare il meccanismo La pompa sostituisce una doppio stadio ad
olio
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Osservazioni generali sui tre stadi Roots 3 stadi Spesso motore
a cinghia Compressione povera Valvole di interstadio Manutenzione
continua nei processi pesanti Motore adeguato Consigliata per le
applicazioni clean Si genera eccessivo calore I condensatori di
interstadio sono essenziali Probabile punto di blocco senza
meccanismi di sblocco Condensazione con probabile attacco chimico
Scarsa capacit di ingerire liquidi
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Two Stage Claw Mechanism Due stadi di compressione Alti
rapporti di compressione Eccessiva produzione di calore
Condensatore di interstadio Condensazione Corrosione Rischio di
blocco idraulico Nessun meccanismo di sblocco
Alcuni vantaggi del design con lobi invertiti Non vi una
riduzione della temperatura del gas tra gli interstadi le eventuali
Polveri sono pompate attraverso la pompa Inlet Exhaust Gas Flow
Path
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Multi stage inverted claw Vantaggi Il cammino del gas
minimizzato (compattezza) prevenendo la condensazione e laccumulo
di particolato Eccellente pompaggio di polveri, solventi
condensabili. Il vuoto finale non cambia anche se uno stadio viene
corroso da polvere o vapore Maccanismo autovalvolante con
distribuzione continua della temperatura di compressione La pompa
viene vestita in funzione del processo data la facilit di
diluizione del gas pompato con ballast Vuoto ultimo misurato con
Pirani : 0,001 mbar Svantaggi Il vuoto finale appena inferiore a
0.1 millibar Vi una zona di rientro gas pompato che se riempito di
liquido potrebbe bloccare la pompa Necessit di gas per la pulizia
delle tenute
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3-stage Claw 1 Inlet flange 2 Upper bearing in removable
cartridge 3 Integral water cooling 4 Heat exchanger for cooling
water circuit 5 Three stage claw mechanism 6 Reversed claws for
shortest gas path 7 Blow-off valve for low power consumption 8
Outlet flange 9 Gear box 10 Clutch assembly 1 2 3 4 5 6 7 8 10
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Multi stage claw Come nei dispositivi all-roots tutti gli stadi
claw (4 in questa figura) sono sullo stesso albero Se si segue
landamento del gas si vede che luscita da uno stadio e lentrata
nello stadio successivo non coincidono e quindi richiesto un grande
cammino per il gas nella pompa stessa. Se il cammino troppo lungo
la velocit del gas pu diminuire, la sua temperatura ridursi fino ad
avere condense localizzate o depositi di particolato. Questo pu
creare problemi alla pompa ed aumentare i costi di
manutenzione
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Claw with Roots Vantaggi Oltre ai vantaggi precedenti utilizza
le prestazioni ottimali della roots operante a pressioni inferiori
di 1 mbar Aumento del vuoto finale Svantaggi Velocit ridotta alla
pressione atmosferica Vi una zona di rientro gas pompato che se
riempito di liquido potrebbe bloccare la pompa Necessit di gas per
la pulizia delle tenute
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Rapporti di compressione Ratio of Outlet pressure (mbar) 50 40
30 20 10 -3 -2 0 1 2 3 Roots mechanism Outlet pressure Inlet
pressure Claw mechanism
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Roots-claw pump mechanism Claw invertita pi roots Edwards
patent
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Canned Motor Claws & Roots Roots multi- lobi Acqua di
raffreddamento Ingranaggi Flangia di accoppiamento 5th 4th 3rd 2nd
1st Cuscinetti Tenute Roots - Claw Mechanism Scarico Ingresso
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GV(M) Cutaway
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next generation chemical dry pump...available in 2002 THE
BRIGHTEST STAR DRYSTAR CDX 850 THE NEXT GENERATION
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Zavorra dazoto La zavorra dazoto usata in molti meccanismi a
secco ha le seguenti funzioni: Gas ballast previene la
condensazione di vapori chimici nella pompa Purge mantiene la
velocit del gas Tenuta dinamica di sicurezza sulle guarnizioni
dellalbero motore mantiene pulite le guarnizioni e garantisce la
ermeticit dellaccoppiamento segnala anomalie Diluizione gas
tossici,corrosivi,piroforici ed ossidanti
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Obiettivi ed innovazioni per le nuove generazioni di pompe a
secco industriali Capacit di lavorare molto calde Aumentare la
capacit di pompare polveri Non avere cuscinetti in vuoto Ridurre la
Potenza Non necessitare di gas di tenuta sullalbero Ridurre od
eliminare acqua di raffreddamento Ridurre il footprint
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Principi delle Dry Pump Technologies Nellindustria: Lobi tipo
Roots e multiroots Vite Claw e multiclaw e combinazioni Palette di
grafite Le pompe a secco debbono garantire che potenziali
contaminazioni passino attraverso i meccanismi. Nei laboratori di
ricerca Scroll Membrana Pistone e multipistone Grafite Setacci
molecolari Rotativa a palette di grafite Le pompe a secco debbono
principalmente garantire la non contaminazione del sistema in
vuoto
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Pompa a membrana Pompa a trasferimento di gas che utilizza il
moto oscillante di un diaframma per muovere il gas. Vuoto ultimo
misurato con Piezoresistivo nei modelli a pi stadi : 1 mbar Pompa
oil free. Resiste a molti processi chimici di laboratorio
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Meccanismo a pistone multiplo
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Pompa scroll Pompa a trasferimento di gas che utilizza il moto
rototraslatorio di una chiocciola di profilo particolare per
muovere il gas Vuoto ultimo misurato con Pirani : 0,01 mbar
Applicazioni Oil free. Hanno una capacit limitata nel pompare
vapori o gas chimici dato che non sopportano liquidi Non sono
adatte ad utilizzi industriali eccetto per le load lock.
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Principio delle pompe Scroll Due meccanismi scroll(chiocciola),
uno inserito nellaltro. Uno fisso, laltro mobile in un moto
rototraslatorio. Il meccanismo scroll intrappola tasche di gas e le
trasferisce continuamente verso il centro della chiocciola fissa.
Ogni chiocciola ha 5 orbite per trasferire e comprimere il gas
prima che raggiunga lo scarico La pressione ultima di circa 10 -2
mbar. Quindi il valore di vuoto simile a quello di una pompa
rotativa a bagno dolio doppio stadio.
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Principio di funzionamento
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Scroll pump Orbita fissa Retro dellorbita mobile Divisore
Fronte fisso Orbita mobile
Pompa ad assorbimento 1 Pompa a cattura, statica, che utilizza
materiale adsorbente ad alta superficie raffreddato in un bagno di
azoto liquido. I gas sono fisicamente assorbiti sulla superficie di
stracci molecolari od altri materiali porosi Vuoto tipico (funzione
del volume da vuotare): 10 -2 mbar Applicazioni: Oil free.
Pompaggio preliminare a pompe tipo ion getter. Effetti di
saturazione, portata decrescente nel tempo Effetti di pompaggio
selettivo dei gas; pompa poco H 2 o gas nobili
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Pompa ad assorbimento 2 Tipicamente un contenitore in alluminio
od in acciaio inossidabile con alette per il trasferimento del
calore immerso in un bagno di azoto liquido, riempito dio materiale
adsorbente Il materiale tipico sono le zeolite come la Zeolite
13X-allumino silicato alcalino (in pellets di 5-8 mm per 3 di
diametro) o pi raramente il carbone attivo Le porosit consigliate
dei setacci molecolari sono di 0,4 nm (diametro molecolare N 2
=0,32 nm e O 2 =0,29 nm); il rapporto superficie interna peso
tipicamente 550m 2 /g e le cariche vanno da 300 a 1200 g. es. la
13X ha una superficie di 13 m 2 /g, diametro pori 13A, 5 10 18
molecole assorbite per ogni mm 2, che per N 2 corrispondono a 2*10
-4 g od 0,2 mbar*l. In un sistema da 15 l di volume con aria pulita
si raggiungono da 0,02 a 0,04 mbar con una carica di 300 g.
Lutilizzo di due sistemi in serie permette di raggiungere qualche
10 -4 mbar
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Pompa ad assorbimento 3
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IPX La pompa IPX una pompa primaria sviluppata per il mercato
dei semiconduttori Motore e meccanismi pompanti integrati in un
unico albero ad elevata velocit Meccanismo di pompaggio combinato
tra: Uno o pi stadi drag a bassa pressione Holweck Multistadi
fluidodinamici per lalta pressione Scarico alla pressione
atmosferica e pressioni da 10-2 a 10-5 mbar.
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IPX Drag Holweck Drag Statore Drag Rotore InletOutlet Canale ad
elica Cilindro rotante Cilindro stazionario Cilindro rotante con
scanalatura ad elica stazionaria o Rotore con scanalatura ad elica
rotante e cilindro stazionario Opera nei regimi molecolare e di
Knudsen Stadio single drag Holweck
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IPX Meccanismo Fluidodinamico FD Rotore FD Statore Rotore
Statore Uscita Ingresso Tipico cammino delle molecole di gas
Sezione A-A del canale Lama Canale del flusso Cammino del gas Le
lame, aerodinamicamente sagomate allo scopo, ruotano ad elevata
velocit causando delle spirali vorticose di flusso nei canali
Servono multistadi per raggiungere la necessaria compressione
Normalmente opera in regime viscoso Stadio singolo FD
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IPX - Cross Section Upper Bearing Lower Bearing Vacuum Inlet
Exhaust Low Pressure Drag Stages High Pressure Fluid Dynamic Stages
Drive EMC Filter Pack Water Outlet Water Inlet Seals Motor Oil
Filter Oil Pump Inlet Strainer
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IPX Stadi e Vuoto IPX100 IPX180 IPX500 2 Stadi convenzionali
Drag 3 Stadi convenzionali Drag 1 Rotore ad elica pi 4 stadi
convenzionali Drag 100 m 3 /hr 5 x 10 -3 mbar 180 m 3 /hr 1 x 10 -4
mbar 500 m 3 /hr 1 x 10 -6 mbar
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IPX100 Speed curve
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IPX Speed Curves IPX500 IPX180 IPX100
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IPX500 gas speed curves
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IPX Compatta Pulita (non ci sono cuscinetti in vuoto) Elevata
affidabilit/minima manutenzione meccanismi non a contatto nessuna
usura (non genera particolati) Vibrazioni ridottissime Rumore non
eccessivo Bassi consumi