Una pompa Roots crea il vuoto utilizzando due rotori lobati controrotanti. Questi rotori intrappolano il gas all'ingresso e lo trasportano attraverso l'alloggiamento della pompa senza compressione interna. Questo trasferimento continuo e ad alta velocità di molecole di gas riduce la pressione, raggiungendo vuoti fino a 10⁻⁵ mbar con un adeguato supporto. La costante crescita del mercato globale delle pompe per vuoto ne evidenzia l'importanza.
Molti settori critici dipendono dall'Pompa per vuoto Roots, tra cui:
• Industria dei semiconduttori: per processi quali la deposizione di film sottili e l'incisione.
• Industria chimica: in applicazioni quali distillazione ed essiccazione.
• Industria farmaceutica: per la filtrazione sotto vuoto e la liofilizzazione.
Il funzionamento interno di una pompa per vuoto Roots
Una pompa per vuoto Roots funziona secondo un principio semplice ma altamente efficace. Il suo meccanismo interno sposta il gas da un ingresso a un'uscita senza comprimerlo all'interno della camera della pompa. Questo processo si basa sul movimento sincronizzato di diverse parti chiave che lavorano in perfetta armonia.
Il ciclo operativo in quattro fasi
L'azione di pompaggio avviene in un ciclo continuo in quattro fasi che si ripete migliaia di volte al minuto. I rotori moderni possono ruotare a velocità comprese tra 3.000 e 6.000 giri/min. Questa elevata velocità consente alla pompa di movimentare grandi volumi di gas molto rapidamente.
Aspirazione: quando i due rotori lobati ruotano in direzioni opposte, si crea una sacca all'ingresso della pompa. Il gas proveniente dalla camera a vuoto fluisce in questo volume in espansione.
Isolamento: la punta di un lobo del rotore passa attraverso la porta di ingresso. Questa azione intrappola un volume specifico di gas tra il rotore e l'alloggiamento della pompa.
Trasferimento: la sacca di gas intrappolata viene quindi convogliata all'interno dell'alloggiamento verso l'uscita. Una caratteristica fondamentale della pompa per vuoto Roots è che non comprime il gas durante il trasferimento. Questo funzionamento senza contatto e senza olio la rende insensibile a piccole quantità di polvere o vapore acqueo.
Scarico: il rotore continua a girare, esponendo la sacca di gas alla porta di uscita. Il gas si espande quindi nella linea di scarico, dove una pompa di supporto lo rimuove dal sistema. Questo ciclo si ripete, spostando continuamente il gas dall'ingresso all'uscita e abbassando la pressione del sistema.
Nota: sebbene sia altamente efficiente per molti gas, la capacità di aspirazione di una pompa Roots è inferiore per gas molto leggeri come l'idrogeno rispetto ad altri tipi di pompa.
Componenti chiave e le loro funzioni
L'affidabilità delle prestazioni di una pompa Roots dipende da alcuni componenti critici progettati con elevata precisione.
Rotori: la pompa è dotata di due rotori lobati interconnessi (spesso a forma di otto). La forma, o profilo, di questi lobi influisce direttamente sulle prestazioni. Diversi design offrono compromessi tra velocità di pompaggio ed efficienza. I rotori elicoidali, ad esempio, contribuiscono a ridurre le pulsazioni di pressione e il rumore di funzionamento.
| Tipo di profilo del rotore | Vantaggio della velocità di pompaggio | Tasso di utilizzo del volume |
|---|---|---|
| Nuovo ellittico | 1,5 volte più alto dell'ellittica superiore | Alto |
| Ellittica superiore | Prestazioni standard | Si avvicina al 55% |
Alloggiamento (involucro): è il corpo esterno che racchiude i rotori. È costruito per resistere alle differenze di pressione tra il sistema a vuoto e l'atmosfera. Il materiale utilizzato per l'alloggiamento e i rotori dipende dai requisiti dell'applicazione in termini di resistenza alla corrosione, robustezza e costo.
| Materiale | Vantaggi principali | Applicazioni comuni |
|---|---|---|
| Ghisa | Elevata resistenza, buona resistenza all'usura, conveniente. | Lavorazione industriale, chimica e alimentare in generale. |
| Acciaio inossidabile | Eccellente resistenza alla corrosione, proprietà igieniche. | Apparecchiature farmaceutiche, per semiconduttori e mediche. |
| Lega di alluminio | Leggero, buona conduttività termica. | Sistemi di pompaggio aerospaziali, automobilistici e portatili. |
Ingranaggi di distribuzione: posizionati all'esterno della camera di pompaggio, gli ingranaggi di distribuzione sono essenziali. Sincronizzano i due rotori, assicurando che ruotino in direzioni opposte senza mai toccarsi tra loro o con l'alloggiamento. Questa sincronizzazione è fondamentale per il funzionamento senza contatto della pompa.
Guarnizioni per alberi: le guarnizioni impediscono all'aria di penetrare nella camera a vuoto e impediscono ai lubrificanti di contaminare il processo. La scelta della guarnizione dipende dal livello di vuoto richiesto e dall'applicazione.
| Tipo di sigillo | Meccanismo | Ideale per |
|---|---|---|
| Sigillo del labirinto | Utilizza un percorso complesso per interrompere il flusso; nessun contatto. | Applicazioni ad alta velocità in cui non è richiesta alcuna usura. |
| Tenuta meccanica | Utilizza due facce altamente lucidate e caricate a molla. | Esigenze di alta pressione, alta temperatura e basse perdite. |
| Guarnizione magnetica del fluido | Utilizza un fluido magnetico per creare una barriera perfetta. | Applicazioni ad alto vuoto che richiedono perdite pari a zero. |
L'importanza di distanze precise
Il termine "gioco" si riferisce ai minuscoli spazi calcolati tra i rotori e tra i rotori e l'alloggiamento. Questi spazi sono il segreto del successo della pompa. Permettono ai rotori di girare ad alta velocità senza attrito, il che offre numerosi vantaggi:
Avvio rapido
Basso consumo energetico
Alta velocità di pompaggio
Bassi costi di gestione e manutenzione
Tuttavia, questi giochi devono essere gestiti alla perfezione. Durante il funzionamento, la pompa genera calore. Questo calore provoca l'espansione dei componenti metallici, un processo noto come dilatazione termica. Man mano che i rotori e l'alloggiamento si espandono, i giochi tra di essi si riducono.
Attenzione: se i giochi diventano troppo piccoli a causa dell'espansione termica o di un montaggio non corretto, i rotori possono entrare in contatto tra loro o con l'alloggiamento. Ciò causa attrito, danni ai componenti, aumento del carico sul motore e potenziale grippaggio della pompa. Al contrario, giochi troppo grandi consentono la fuoriuscita di gas dall'uscita all'ingresso, riducendo notevolmente l'efficienza della pompa.
Una progettazione e una selezione dei materiali adeguate garantiscono che la pompa per vuoto Roots mantenga tolleranze ottimali nell'intero intervallo di temperatura di esercizio, garantendo prestazioni affidabili ed efficienti.
Configurazione del sistema: pompe di supporto vs. pompe multistadio
Una pompa Roots è un potente booster, ma non può funzionare da sola. Richiede una configurazione di sistema specifica per raggiungere il suo pieno potenziale. La pompa sposta il gas in modo efficiente, ma non lo comprime a sufficienza per scaricarlo direttamente nell'atmosfera. Questa limitazione richiede l'utilizzo di una pompa di supporto o di una configurazione multistadio.
Perché è necessaria una pompa di supporto
Una pompa Roots necessita di una pompa di prevuoto per gestire lo scarico. La pompa di prevuoto si collega all'uscita della pompa Roots. Preleva il gas trasferito e lo comprime fino alla pressione atmosferica, completando il processo di evacuazione. Questa combinazione consente al sistema di raggiungere efficacemente vuoti elevati. La scelta della pompa di prevuoto dipende dall'applicazione specifica e dal livello di vuoto desiderato.
Lo sapevi? La pompa di supporto è anche chiamata pompa primaria perché svolge il lavoro finale di rimozione del gas dal sistema.
I tipi più comuni di pompe di supporto includono:
Pompe rotative a palette a due stadi
Pompe meccaniche a tenuta d'olio
Pompe meccaniche con valvola a cassetto a due stadi
Pompe per vuoto ad anello liquido
Come funzionano le pompe multistadio
Per applicazioni che richiedono pressioni estremamente basse, gli ingegneri collegano più pompe in serie. Questo crea un sistema di pompe per vuoto Roots multistadio. In questa configurazione, l'uscita della prima pompa alimenta l'ingresso della seconda e così via. Ogni stadio successivo riduce ulteriormente la pressione. È comunque necessaria un'ultima pompa di supporto alla fine della catena per scaricare il gas nell'atmosfera.
Questi potenti sistemi sono essenziali per i settori ad alta tecnologia e più esigenti. Le principali applicazioni includono:
Produzione di semiconduttori: per processi quali la deposizione chimica da vapore (CVD), la deposizione fisica da vapore (PVD) e l'incisione.
Aerospaziale: camere di simulazione nello spazio e test dei componenti.
Nuova energia: per la produzione di pannelli solari e batterie.
La pompa per vuoto Roots eccelle nel trasferimento di gas ad alta velocità anziché nella compressione interna. Il suo design semplice e senza contatto crea un potente booster per applicazioni pulite e ad alta produttività. Le pompe moderne ora integrano motori a risparmio energetico e sensori intelligenti, migliorando ulteriormente le prestazioni per i settori più esigenti che richiedono sistemi per vuoto affidabili ed efficienti.
Data di pubblicazione: 28-10-2025