Come funziona una pompa a membrana?

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Le pompe per vuoto a membrana sono pompe a cilindrata oscillante. Appartengono alla famiglia di pompe per vuoto a trasferimento di gas. La gamma che coprono significa che rientrano nella categoria del vuoto basso. Sono importanti nei laboratori in cui è necessaria una pressione di pochi mbar. Ciò comporta, tra le altre applicazioni, il loro utilizzo nei laboratori chimici per processi farmaceutici o medicali.

Principio di funzionamento

Le pompe per vuoto a membrana sono pompe per vuoto a compressione a secco monostadio o multistadio (vengono prodotte pompe a membrana con un massimo di quattro stadi). Qui la circonferenza di una membrana è tesa tra la testa della pompa e la parete dell'alloggiamento (Fig. 2.1). Questa viene spostata in modo oscillante per mezzo di una biella e di un eccentrico. La camera di pompaggio o di compressione, il cui volume aumenta e diminuisce periodicamente, svolge l'azione di pompaggio. Le valvole sono disposte in modo tale che durante la fase in cui il volume della camera di pompaggio aumenta, siano aperte verso la linea di aspirazione. Durante la compressione, la camera di pompaggio è collegata alla linea di scarico. La membrana fornisce una tenuta ermetica tra la camera a ingranaggi e la camera di pompaggio, in modo da mantenerla priva di olio e lubrificanti (pompa per vuoto a compressione a secco). La membrana e le valvole sono gli unici componenti a contatto con il mezzo da pompare. Rivestendo la membrana con PTFE (Teflon) e realizzando le valvole di ingresso e di scarico in un elastomero altamente fluorurato, come nel caso del DIVAC di Leybold, è quindi possibile pompare vapori e gas aggressivi. Questo le rende particolarmente adatte per le applicazioni sotto vuoto nei laboratori di chimica.

Fig. 2.1 Schema di uno stadio della pompa a membrana.

1) Coperchio alloggiamento 2) Valvole 3) Coperchio 4) Disco membrana 5) Membrana 6) Disco di supporto membrana 7) Biella 8) Disco eccentrico

Vantaggi delle pompe a membrana

Recentemente, le pompe a membrana sono diventate sempre più importanti, soprattutto per motivi ambientali. Rappresentano un'alternativa alle pompe per vuoto a getto d'acqua, poiché le pompe a membrana non danno origine ad acque reflue. Nel complesso, una pompa per vuoto a membrana consente di risparmiare fino al 90% dei costi di esercizio rispetto a una pompa a getto d'acqua. Rispetto alle pompe rotative a palette, la camera di pompaggio delle pompe a membrana è completamente priva di olio. Per come sono progettate, non sono necessarie guarnizioni dell'albero a bagno d'olio.

Limiti delle pompe a membrana

A causa della limitata deformabilità elastica della membrana, si ottiene solo una velocità di pompaggio relativamente bassa. In base a questo principio di pompaggio, al punto morto superiore rimane un volume, il cosiddetto "spazio morto", dal quale i gas non possono essere trasferiti alla linea di scarico. La quantità di gas che rimane alla pressione di scarico si espande nella camera di pompaggio in espansione durante la successiva corsa di aspirazione, riempiendola in modo che, man mano che la pressione di aspirazione si riduce, la quantità di nuovo gas aspirato si riduca sempre di più. Per questo motivo, l'efficienza volumetrica peggiora continuamente. Le pompe per vuoto a membrana non sono in grado di raggiungere un rapporto di compressione più elevato rispetto a quello tra lo "spazio morto" e il volume massimo della camera di pompaggio. Nel caso delle pompe per vuoto a membrana monostadio, la pressione finale ottenibile è pari a circa 80 mbar. Le pompe a due stadi, come la DIMAC di Leybold, possono raggiungere circa 10 mbar (vedere la Fig. 2.2), le pompe a tre stadi possono raggiungere circa 2 mbar e le pompe a membrana a quattro stadi possono raggiungere circa 5 · 10^-1 mbar.

Fig. 2.2 Principio di funzionamento di una pompa a membrana a due stadi. Apertura e chiusura delle valvole, percorso e meccanismo di pompaggio durante le quattro fasi successive di una rotazione della biella (a-d)

Compatibilità con altre pompe e applicazioni

Le pompe a membrana che raggiungono una pressione finale così bassa, come le pompe a membrana a 3 e 4 teste, sono adatte come pompe primarie per pompe turbomolecolari con stadi di trascinamento molecolare completamente integrati (pompe turbomolecolari composte o ad ampio range). In questo modo si ottiene un sistema di pompaggio assolutamente privo di olio, un fattore di grande importanza per le misure che coinvolgono spettrometri di massa e rilevatori di perdite. A differenza delle pompe rotative a palette, questa combinazione di pompe per rilevatori di perdite offre il vantaggio dell'assenza di dissoluzione di elio nella pompa a membrana, evitando in tal modo il possibile accumulo di un fondo di elio. Tuttavia, il vuoto finale ottenibile con una pompa rotativa a palette con guarnizione a olio o una pompa a coclea è notevolmente migliore di quello delle pompe a membrana a 4 teste.

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