La generazione del vuoto

La generazione del vuoto può essere realizzata in diversi modi e con diversi strumenti, in funzione delle caratteristiche che si ritiene necessario avere, prima fra tutte il grado di vuoto.

La generazione del vuoto può essere realizzata in diversi modi e con diversi strumenti. Ma, esattamente, cosa si intende con vuoto?

Quando si parla di vuoto, comunemente, si intende uno spazio libero da materia e da gas o aria, in particolare. Questa definizione porta al concetto di vuoto assoluto, che rappresenta una condizione limite. Comunemente si definisce vuoto uno spazio in cui la pressione dell’aria all’interno di un ambiente è inferiore a quella atmosferica, oppure quando l’aria ha densità ridotta. Sul livello del mare la pressione ambiente assoluta è di 1013 mBar. In base al valore di pressione di un ambiente, superiore o inferiore a quello atmosferico, si assiste al manifestarsi di fenomeni diversi in funzione del valore di pressione. Si distinguono diversi gradi di vuoto in funzione del valore di pressione assoluta raggiunto: basso, medio, alto, ultra alto.

In campo industriale, il vuoto viene suddiviso in tre categorie anch’esse a seconda del livello di vuoto.

La prima categoria è detta basso vuoto e ha un livello di pressione relativa all’ambiente compreso tra 0 e -20 kPa; esso è solitamente impiegato per applicazioni dove è richiesta un’elevata portata. Per generarlo si utilizzano pompe elettromeccaniche a girante, soffianti a canale laterale, generatori di flusso.

La seconda categoria è detta vuoto industriale e ha un livello di pressione relativa all’ambiente compreso tra -20 kPa e -99 kPa; esso è solitamente utilizzato in ambiti dove il vuoto è prodotto da generatori con principio di funzionamento a tubo di Venturi, alimentati ad aria compressa e da pompe per vuoto a palette rotative, azionate da motori elettrici.

La terza categoria è detta vuoto di processo e ha un livello di pressione relativa all’ambiente superiore a -99 kPa; esso è generato principalmente da pompe a palette rotative a due stadi, pompe turbomolecolari, pompe a diffusione, pompe criogeniche, tutte azionate da motore elettrico. Il più alto valore di vuoto raggiunto sulla Terra rappresenta comunque un limite rispetto al concetto di vuoto assoluto. Anche nello spazio, in assenza di atmosfera, vi è una presenza di molecole per unità di volume.

Per raggiungere gradi di vuoto elevato e generare portate significative, si utilizzano pompe a membrana del tipo di quelle in Figura 1. L’aria è aspirata nella camera (1) quando in questa camera il volume aumenta per l’abbassamento della membrana (2) che svolge funzione di stantuffo mosso dal sistema biella manovella collegato ad un motore. Una valvola automatica (3) permette l’accesso dell’aria alla camera (1). Nella successiva fase del ciclo, il fluido è espulso attraverso una seconda valvola automatica (4) a causa della diminuzione del volume della camera (1), dovuto alla membrana (2) che si sposta verso l’alto. Sempre in Figura 1, a destra, si ha una sezione di una pompa a membrana con due membrane accoppiate, il cui moto è comandato con aria compressa.

In Figura 2 sono rappresentate delle mini pompe per vuoto a membrana. Esse possono essere impiegate sia come pompe per vuoto sia come compressori; in quest’ultima funzione sono in grado di erogare aria compressa esente da olio al 100%, fino a una pressione massima di 2 bar. Queste minipompe sono dotate di un motorino elettrico, raffreddato ad aria; un cor- (a) po pompa realizzato con materiale termoplastico resistente alla corrosione e con raccordi portagomma integrati sulle connessioni d’aspirazione e di mandata; una membrana in Viton, solidale a una biella, resistente all’usura e alla corrosione; una biella azionata da un sistema eccentrico bilanciato, calettato sull’albero motore; un supporto d’alluminio, per il fissaggio della pompa. Le mini pompe a membrana sono molto silenziose con un livello sonoro ≤ 50 dB(A), hanno vibrazioni contenute e possono essere installate con qualsiasi orientamento. Queste minipompe sono prive di lubrificazione e non hanno necessità di manutenzione. Le minipompe descritte hanno minimo ingombro, ridotta massa e sono indicate per l’installazione su apparecchi portatili; inoltre sono adatte a un uso discontinuo.

Altra macchina volumetrica per la generazione del vuoto è la pompa peristaltica, il cui schema è rappresentato in Figura 3 dove si vede la pompa peristaltica che manda in scarico dalla bocca (1) dopo avere aspirato dalla bocca (2), generando il vuoto. Questa pompa è una macchina volumetrica e ha, come volume di riferimento, lo spazio determinato dal tratto di tubo deformabile (3) che viene intercettato tra i rulli planetarii (4), mossi dal portatreno (5), e la pista sullo statore (6) della pompa. Il portatreno è trascinato da un motore. Il grado raggiungibile con questo dispositivo è elevato, anche in funzione delle caratteristiche elastiche del tubo deformabile (3).

Per gradi di vuoto meno elevati

Per gradi di vuoto meno elevati di quelli che possono essere ottenuti con le pompe peristaltiche si possono usare pompe a palette. Lo schema e una fotografia di una pompa a palette per la generazione di vuoto sono rappresentati in Figura 4. La pompa aspira da (1) e manda da (2). Essa dispone di una girante (3), rotante con velocità angolare ω, montata in posizione eccentrica e dotata di palette (4), che possono scorrere all’interno di sedi ricavate nella girante. Le palette sono mantenute a contatto con la parete dello statore e rendono ermetica ciascuna camera definita da due palette successive e da rotore e statore.

Quando la girante ruota, la forza centrifuga spinge le palette verso l’esterno realizzando una tenuta strisciante, spesso sono anche presenti elementi meccanici per mantenere questa tenuta. La posizione eccentrica della girante fa sì che si formino camere (5), di volume variabile con la rotazione della girante. In questo modo si provoca un abbassamento della pressione nell’ambiente di aspirazione. In Figura 4 si vede una fotografia di una pompa a palette per la generazione del vuoto della Vuototecnica.

Altre macchine per la generazione del vuoto sono le soffianti per il vuoto che hanno un’elevata capacità di aspirazione con elevate portate, ma non ottengono il livello di vuoto che si ha con altri sistemi come eiettori e pompe per vuoto. Le soffianti lavorano sfruttando la variazione della quantità di moto del fluido.

Uno schema di queste macchine è visibile in Figura 5: mediante il movimento rotatorio delle palette (1), l’aria viene sottoposta ad accelerazione. L’azione delle palette, che trascinano l’aria, genera depressione sul lato aspirazione (2). L’aria, in scarico, fuoriesce dalla mandata (3). Oltre all’utilizzo di pompe a vuoto o di soffianti, per la generazione del vuoto, si utilizzano largamente degli elementi fluidica detti eiettori. Questi componenti producono vuoto sfruttando le proprietà del tubo di Venturi. Spesso si utilizzano eiettori compatti, a singolo stadio, che possono essere dotati di una valvola di aspirazione e di scarico per controllare direttamente sia la presa sia l’espulsione del pezzo, Oltre agli eiettori a singolo stadio, esistono anche eiettori in cui il vuoto viene generato con diversi ugelli collegati in cascata, realizzando eiettori multistadio.