IT201800007964A1 - Pompa da vuoto rotativa e metodo per il suo bilanciamento - Google Patents

Description

“Pompa da vuoto rotativa e metodo per il suo bilanciamento”

DESCRIZIONE

Settore Tecnico dell’Invenzione

La presente invenzione si riferisce ad una pompa da vuoto rotativa provvista di un sistema migliorato per il suo bilanciamento.

Più in particolare, la presente invenzione si riferisce ad una pompa da vuoto turbomolecolare provvista di un sistema migliorato per il suo bilanciamento.

La presente invenzione si riferisce inoltre ad un metodo per il bilanciamento di detta pompa da vuoto.

Arte Nota

Come noto, le pompe da vuoto comprendono un involucro che è provvisto di una porta di ingresso (collegata ad una camera da evacuare) e di una porta di uscita e che alloggia uno o più stadi di pompaggio disposti fra detta porta di ingresso e detta porta di uscita per pompare un gas da detta porta di ingresso a detta porta di uscita.

In particolare, nelle pompe da vuoto rotative, gli stadi di pompaggio comprendono una parte rotante ed una parte stazionaria che cooperano tra loro per ottenere il pompaggio del gas.

A seconda del tipo di pompa, è possibile ottenere gradi di vuoto più alti o più bassi.

Nelle pompe da vuoto turbomolecolari la parte rotante comprende un albero rotante e una serie di dischi rotorici paralleli e provvisti di palette fissati a detto albero rotante o integrali ad esso, e la parte stazionaria comprende una pluralità di anelli statorici, provvisti anch’essi di palette, inclinate in direzione opposta alle palette dei dischi rotorici: ciascun disco rotorico coopera con un anello statorico per formare uno stadio di pompaggio.

Le pompe da vuoto turbomolecolari possono eventualmente comprendere, a valle degli stadi di pompaggio turbomolecolari, uno o più stadi di pompaggio ”drag”.

Per supportare l’albero rotante della pompa da vuoto possono essere utilizzati cuscinetti magnetici e/o cuscinetti meccanici di rotolamento (a sfere o a rulli).

Durante il funzionamento, l’albero rotante ed i dischi rotorici ad esso solidali sono fatti ruotare ad alta velocità e – grazie alla cooperazione con gli anelli statorici – consentono di ottenere alti gradi di vuoto.

A titolo indicativo, una pompa turbomolecolare può generare un vuoto dell'ordine di 10<-7 >mbar (10<-5 >Pa) con una velocità di rotazione dell'albero nel campo da 2x10<4 >a 9x10<4 >giri al minuto.

Una pompa da vuoto rotativa è quindi una macchina con una massa che viene ruotata ad una velocità estremamente elevata.

Si consideri, a tale proposito che detta massa rotante non comprende unicamente l’albero rotante ed i dischi rotorici, ma include anche il rotore del motore elettrico che fa ruotare detto albero rotante e – nel caso di utilizzo di cuscinetti meccanici – gli anelli interni dei cuscinetti di rotolamento.

Se la suddetta massa rotante non è disposta con il suo asse centrale d’inerzia sull'asse di rotazione e quindi non è bilanciata, forze di inerzia sono generate all'interno della pompa e vengono trasmesse attraverso l'alloggiamento all'esterno della pompa.

Tali forze di inerzia causano sollecitazioni e vibrazioni indesiderate, che sono fonti di rumore e portano a un'usura precoce dei cuscinetti di rotolamento.

Inoltre, in alcune applicazioni specifiche, ad esempio nel caso in cui la pompa è collegata a uno strumento di misura di precisione (come nella microscopia elettronica), le vibrazioni sono fonti di disturbo che alterano il funzionamento dello strumento di misura e pertanto devono essere portate sotto un certo valore di soglia.

In generale, è noto che il bilanciamento di una massa rotante può essere ottenuto per mezzo di ulteriori masse rotanti aggiuntive, accoppiate alla massa principale in modo che il centro di gravità della massa complessiva venga riportato nuovamente sull'asse di rotazione (bilanciamento statico) e l'asse di rotazione sia parallelo a un asse centrale di inerzia (bilanciamento di coppia).

Una massa rotante bilanciata dinamicamente non trasmette stress ai supporti ed è quindi una soluzione ottimale.

Nel campo delle pompe da vuoto rotative, ed in particolare di quelle turbomolecolari, la parte rotante della pompa viene equilibrata dinamicamente attraverso un processo iterativo in cui le fasi di misurazione delle vibrazioni trasmesse dalla pompa ad una struttura esterna si alternano con passi di regolazione della posizione di uno o più masse aggiuntive posizionate sulla parte rotante, fino a raggiungere le condizioni ottimali.

Per ottenere un livello di vibrazione al di sotto della soglia di accettabilità è necessario verificare il livello di equilibratura della parte rotante nella configurazione di montaggio finale sulla pompa e se necessario effettuare un processo di equilibratura in quest’ultima configurazione.

In una soluzione di tipo noto, schematicamente illustrata in Figura 1a, la pompa da vuoto comprende un albero rotante 101 e - fissati a detto albero rotante o integrali ad esso - una pluralità di dischi rotorici palettati 103 (atti a definire con corrispondenti anelli statorici rispettivi stadi di pompaggio turbomolecolari) e – a valle di questi – una pluralità di dischi rotorici lisci 105 (atti a definire con corrispondenti anelli statorici rispettivi stadi di pompaggio ”drag”).

Secondo la soluzione di tipo noto illustrata in Figura 1a, sono utilizzati due piani di bilanciamento, un primo piano PB1 in prossimità del primo stadio di pompaggio turbomolecolare a valle della porta di ingresso della pompa ed un secondo piano PB2 in prossimità dell’ultimo stadio di pompaggio “drag” a monte della porta di uscita della pompa.

Il bilanciamento della parte rotante viene effettuato misurando le vibrazioni trasmesse dalla pompa e modificando di conseguenza la posizione di primi e secondi grani di regolazione 107, 109 posti in corrispondenza, rispettivamente, del primo e del secondo piano di bilanciamento.

Tuttavia, l’utilizzo di due soli piani di bilanciamento non è del tutto soddisfacente.

In particolare, se da un lato un processo di bilanciamento utilizzante due piani di bilanciamento può fornire risultati soddisfacenti alla velocità nominale della pompa, dall’altro esso non è affidabile quando si tratta di mantenere il livello di sbilanciamento sotto controllo durante l’attraversamento di velocità critiche inferiori alla suddetta velocità nominale e/o quando è possibile che la pompa operi su un ampio intervallo di velocità di rotazione della pompa.

Al fine di risolvere tale inconveniente, sono stati sviluppati processi di bilanciamento che prevedono più di due piani di bilanciamento.

In una ulteriore soluzione di tipo noto, schematicamente illustrata in Figura 1b, la pompa da vuoto comprende un albero rotante 201 e - fissati a detto albero rotante o integrali ad esso - una pluralità di dischi rotorici palettati 203 (atti a definire con corrispondenti anelli statorici rispettivi stadi di pompaggio turbomolecolari) e – a valle di questi – una pluralità di dischi rotorici lisci 205 (atti a definire con corrispondenti anelli statorici rispettivi stadi di pompaggio ”drag”).

Come visibile in Figura 1b, l’albero rotante 201 è supportato da una coppia di cuscinetti di rotolamento 211, 213 e all’albero rotante 201 è anche fissato il rotore 215 del motore elettrico che mette in rotazione l’albero rotante 201, detto rotore del motore elettrico essendo posizionato fra i due cuscinetti 211, 213.

Sempre in Figura 1b è possibile notare che l’estremità inferiore dell’albero rotante 201 è accoppiata con un dado 217. Detto dado 217 è generalmente realizzato sotto forma di manicotto cilindrico o conico (si veda Figura 1c) e ruota insieme a detto albero rotante durante il funzionamento della pompa. Il dado 217 è utilizzato per il serraggio dei cuscinetti 211, 213.

Secondo la soluzione di tipo noto illustrata in Figura 1b, sono utilizzati due piani di bilanciamento, un primo piano PB1 in prossimità del primo stadio di pompaggio turbomolecolare a valle della porta di ingresso della pompa ed un secondo piano PB2 in prossimità dell’ultimo stadio di pompaggio “drag” a monte della porta di uscita della pompa. Primi e secondi grani di regolazione 207, 209 di massa opportuna sono previsti a tale scopo in corrispondenza, rispettivamente, del primo e del secondo piano di bilanciamento.

Inoltre, nella soluzione di Figura 1b uno o più piani di bilanciamento addizionali sono previsti in corrispondenza della zona 216 del rotore del motore elettrico.

L’introduzione di detti piani di bilanciamento addizionali consente di migliorare l’accuratezza del processo di bilanciamento.

Tuttavia, essi si trovano in una posizione difficilmente accessibile per l’operatore che deve effettuare il bilanciamento (vale a dire intervenire sulle masse aggiuntive disposte su detti piani di bilanciamento addizionali) con la parte rotante nella configurazione di montaggio finale sulla pompa e possono addirittura comportare una progettazione più complessa della pompa turbomolecolare nel suo complesso.

Scopo principale della presente invenzione è quello di fornire una pompa da vuoto rotativa, in particolare una pompa da vuoto turbomolecolare, che coniughi la possibilità di un bilanciamento accurato sull’intero intervallo di velocità di rotazione della pompa con una procedura di bilanciamento semplice ed agevole per l’operatore.

Questo ed altri scopi sono raggiunti da una pompa da vuoto rotativa come rivendicata nelle unite rivendicazioni.

Esposizione Sintetica dell’Invenzione

La presente invenzione ha per oggetto una pompa da vuoto comprendente un albero rotante e una pluralità di dischi rotorici, fissati a detto albero rotante o integrali ad esso. Primi mezzi di bilanciamento sono previsti in detto albero rotante in prossimità di un primo disco rotorico e secondi mezzi di bilanciamento sono previsti in detto albero rotante in prossimità di un secondo disco rotorico.

Secondo l’invenzione, l’estremità inferiore dell’albero rotante è accoppiata con un dado, solidale in rotazione a detto albero rotante e terzi mezzi di bilanciamento sono previsti in detto dado.

In questo contesto con “estremità inferiore” dell’albero rotante si intende l’estremità dell’albero rotante più lontana dalla porta di ingresso della pompa da vuoto (indipendentemente dall’orientamento nello spazio di detta pompa da vuoto).

Nel caso in cui l’albero rotante è supportato da cuscinetti di rotolamento, detto dado è il dado di serraggio di detti cuscinetti di rotolamento.

Pertanto, la pompa da vuoto secondo l’invenzione prevede un primo piano di bilanciamento, sul quale sono disposti i primi mezzi di bilanciamento, ed un secondo piano di bilanciamento, sul quale sono disposti i secondi mezzi di bilanciamento, e prevede altresì un piano di bilanciamento addizionale in corrispondenza di detto dado, cioè sostanzialmente dell’estremità inferiore dell’albero rotante.

Grazie alla presenza di questo piano di bilanciamento addizionale, un bilanciamento accurato può essere ottenuto sull’intero intervallo di velocità di rotazione dell’albero rotante della pompa da vuoto, ed in particolare in corrispondenza della/e velocità critica/he che viene/vengono attraversata/e per arrivare alla velocità nominale.

D’altronde, il dado è facilmente accessibile per un operatore, anche in caso di equilibratura con la parte rotante nella configurazione di montaggio finale sulla pompa, in quanto – in modo di per sé noto – il basamento della pompa da vuoto è provvisto di una flangia inferiore removibile che consente un agevole accesso a detto dado.

In una forma preferita di realizzazione dell’invenzione, detti primi mezzi di bilanciamento sono previsti in prossimità del primo disco rotorico a valle della porta di ingresso della pompa da vuoto.

In una forma preferita di realizzazione dell’invenzione, detti secondi mezzi di bilanciamento sono previsti in prossimità dell’ultimo disco rotorico a monte della porta di uscita della pompa da vuoto.

In una forma preferita di realizzazione dell’invenzione, detti primi e detti secondi mezzi di bilanciamento sono costituiti da grani di regolazione di massa opportuna che sono alloggiati in modo mobile e regolabile in corrispondenti sedi ricavate sull’albero rotante. In una forma preferita di realizzazione dell’invenzione, detto dado comprende un corpo cilindrico provvisto di un foro centrale grazie al quale l’estremità inferiore dell’albero rotante è accoppiata con il dado e di uno o più fori disposti lungo la periferia di detto corpo cilindrico e detti terzi mezzi di bilanciamento sono costituiti da grani di regolazione di massa opportuna che sono atti ad essere alloggiati in modo mobile e regolabile in detti fori periferici di detto corpo cilindrico di detto dado.

Preferibilmente, detto dado comprende una pluralità di fori periferici disposti in modo uniforme lungo la circonferenza di detto corpo cilindrico.

Secondo una possibile forma di realizzazione, detti fori periferici sono fori assiali ciechi.

Secondo un’altra possibile forma di realizzazione, detti fori periferici sono fori assiali passanti.

Secondo la presente invenzione, il metodo per il bilanciamento della parte rotante della pompa da vuoto rotativa comprende le fasi di:

a) porre in rotazione detta parte rotante di detta pompa da vuoto;

b) misurare le vibrazioni trasmesse da detta parte rotante di detta pompa da vuoto ad una struttura stazionaria;

c) arrestare detta parte rotante di detta pompa da vuoto; e

d) regolare detti primi e/o detti secondi e/o detti terzi mezzi di bilanciamento di detta pompa da vuoto;

dette fasi a) – d) essendo ripetute, se necessario, secondo un processo iterativo.

Breve Descrizione dei Disegni

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno più evidenti dalla descrizione dettagliata di una forma di realizzazione preferita della stessa, data a titolo di esempio non limitativo con riferimento ai disegni allegati, in cui:

Figura 1a illustra schematicamente un primo esempio di una parte rotante di una pompa da vuoto turbomolecolare secondo tecnica nota;

Figura 1b illustra schematicamente un secondo esempio di una parte rotante di una pompa da vuoto turbomolecolare secondo tecnica nota;

Figura 1c illustra il dado per il serraggio dei cuscinetti di rotolamento della pompa da vuoto turbomolecolare di Figura 1b;

Figura 2 illustra schematicamente la parte rotante di una pompa da vuoto turbomolecolare secondo l’invenzione;

Figura 3a è una vista in prospettiva del dado con cui è accoppiata l’estremità inferiore dell’albero rotante di Figura 2;

Figura 3b è una vista dall’alto del dado di Figura 3a; e

Figura 3c è una vista in sezione longitudinale del dado di Figura 3a.

Descrizione Dettaglia di una Forma di Realizzazione Preferita dell’Invenzione

Nel seguito, una forma di realizzazione preferita dell’invenzione verrà descritta con riferimento, a titolo esemplificativo, ad una pompa da vuoto turbomolecolare. Tuttavia, questo non deve essere inteso in alcun modo in senso limitativo e l’invenzione può essere ugualmente applicata ad altri tipi di pompe da vuoto rotative.

In modo di per sé noto, una pompa da vuoto turbomolecolare è provvista di un involucro in cui sono definite una porta di ingresso ed una porta di uscita e comprende una parte rotante ed una parte stazionaria che sono alloggiate in detto involucro e cooperano tra loro per pompare un gas da detta porta di ingresso a detta porta di uscita.

In Figura 2 solo la parte rotante di una pompa da vuoto turbomolecolare secondo l’invenzione è schematicamente illustrata.

Detta parte rotante di detta pompa da vuoto comprende un albero rotante 1 cui sono fissati una pluralità di dischi rotorici, e nello specifico una pluralità di dischi rotorici palettati 3 immediatamente a valle della porta di ingresso della pompa da vuoto e – a valle di questi e a monte della porta di uscita della pompa da vuoto– una pluralità di dischi rotorici lisci 5. All’albero rotante 1 è anche fissato il rotore (non illustrato) del motore elettrico che mette in rotazione detto albero rotante.

In modo di per sé noto, la parte rotante della pompa da vuoto prevede primi mezzi di bilanciamento 7, che definiscono un primo piano di bilanciamento PB1, e secondi mezzi di bilanciamento 9, che definiscono un secondo piano di bilanciamento PB2.

Detti primi e detti secondi mezzi di bilanciamento 7, 9 sono preferibilmente previsti, rispettivamente, in prossimità di un primo e di un secondo disco rotorico.

In particolare, nella forma di realizzazione preferita illustrata, detti primi mezzi di bilanciamento 7 sono previsti in prossimità del disco rotorico 3’ immediatamente a valle della porta di ingresso della pompa da vuoto.

Inoltre, nella forma di realizzazione preferita illustrata, detti secondi mezzi di bilanciamento 9 sono previsti in prossimità del disco rotorico 5’ immediatamente a monte della porta di uscita della pompa da vuoto.

Detti primi e detti secondi mezzi di bilanciamento possono essere ad esempio costituiti da grani di regolazione 7, 9 (in particolare, grani di regolazione filettati) di massa opportuna che sono alloggiati in modo mobile e regolabile in corrispondenti sedi (in particolare, fori filettati) ricavate sull’albero rotante 1.

Secondo l’invenzione, l’estremità inferiore 1’ dell’albero rotante 1 è accoppiata con un dado 11, che è solidale in rotazione a detto albero rotante durante il funzionamento della pompa, e terzi mezzi di bilanciamento 13 sono previsti in detto dado 11, cosicché un piano di bilanciamento addizionale PB3 risulta definito in corrispondenza di detto dado (cioè sostanzialmente in corrispondenza dell’estremità inferiore 1’ dell’albero rotante 1).

Nel caso in cui l’albero rotante 1 è supportato da cuscinetti di rotolamento il dado 11 è il dado utilizzato (in modo di per sé noto) per il serraggio di detti cuscinetti di rotolamento. Vantaggiosamente, detti terzi mezzi di bilanciamento 13 saranno facilmente accessibili per un operatore anche con la parte rotante nella configurazione di montaggio finale sulla pompa, in quanto – in modo di per sé noto – il basamento di una pompa da vuoto è solitamente provvisto di una flangia inferiore removibile che consente un agevole accesso al dado 11.

Detto dado 11 è illustrato in dettaglio nelle Figure 3a – 3c.

Secondo l’invenzione, il dado 11 comprende un foro filettato centrale 15, atto a garantire l’accoppiamento con l’estremità inferiore 1’ dell’albero rotante 1, e comprende inoltre uno o più fori 17 disposti lungo la periferia di detto corpo cilindrico ed atti a ricevere in modo mobile e regolabile corrispondenti mezzi di bilanciamento.

In particolare, nella forma di realizzazione illustrata, i fori periferici 17 sono fori filettati (si veda Figura 3c) e sono atti a ricevere in modo mobile e regolabile corrispondenti grani di regolazione filettati 13 di massa opportuna.

Come visibile in Figura 3b, preferibilmente il dado 11 comprende una pluralità di fori periferici 17 disposti in modo uniforme lungo la circonferenza di detto corpo cilindrico e preferibilmente detti fori periferici 17 sono fori assiali ciechi.

L’invenzione introduce quindi un piano di bilanciamento aggiuntivo che è facilmente accessibile per la regolazione dei corrispondenti mezzi di bilanciamento anche con la parte rotante nella configurazione di montaggio finale sulla pompa e che – in combinazione con il primo ed il secondo piano di bilanciamento – assicura un bilanciamento accurato della parte rotante della pompa da vuoto su tutto l’intervallo di velocità di rotazione di detta parte rotante di detta pompa da vuoto.

La descrizione qui sopra di una forma di realizzazione preferita dell’invenzione è stata data unicamente a titolo di esempio e numerose varianti e modifiche alla portata della persona esperta del ramo possono essere immaginate, senza uscire dall’ambito di tutela definito dalle unite rivendicazioni.

In particolare, benché nella descrizione dettagliata di una forma preferita di realizzazione si sia fatto riferimento ad una pompa da vuoto turbomolecolare, l’invenzione può ugualmente essere applicata ad altri tipi di pompe da vuoto rotative.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Pompa da vuoto rotativa, comprendente un involucro in cui sono definite una porta di ingresso ed una porta di uscita e provvista di una parte rotante e di una parte stazionaria che sono alloggiate in detto involucro e cooperano tra loro per pompare un gas da detta porta di ingresso a detta porta di uscita, in cui detta parte rotante comprende un albero rotante (1) e una pluralità di dischi rotorici (3, 5), in cui detta pompa da vuoto comprende primi mezzi di bilanciamento (7) previsti in prossimità di un primo disco rotorico (3’) e secondi mezzi di bilanciamento (9) previsti in prossimità di un secondo disco rotorico (5’), caratterizzata dal fatto che l’estremità inferiore (1’) di detto albero rotante (1) è accoppiata con un dado (11) e terzi mezzi di bilanciamento (13) per il bilanciamento di detta parte rotante di detta pompa da vuoto sono previsti in detto dado (11).
2. 2. Pompa da vuoto rotativa secondo la rivendicazione 1, in cui detto dado (11) comprende un corpo cilindrico provvisto di un foro filettato centrale (15) per alloggiare detta estremità inferiore (1’) di detto albero rotante (1) e di uno o più fori periferici (17) disposti lungo la periferia di detto corpo cilindrico per alloggiare detti terzi mezzi di bilanciamento (13).
3. 3. Pompa da vuoto rotativa secondo la rivendicazione 2, in cui detti terzi mezzi di bilanciamento (13) sono alloggiati in modo mobile e regolabile in detti fori periferici (17) di detto dado.
4. 4. Pompa da vuoto rotativa secondo la rivendicazione 2 o 3, in cui detti fori periferici (17) sono fori filettati e detti terzi mezzi di bilanciamento sono grani di regolazione filettati (13) di massa opportuna.
5. 5. Pompa da vuoto rotativa secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 2 - 4, in cui detto dado (11) comprende una pluralità di fori periferici (17) disposti in modo uniforme lungo la circonferenza di detto corpo cilindrico.
6. 6. Pompa da vuoto rotativa secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 2 - 5, in cui detti fori periferici (17) sono fori assiali ciechi.
7. 7. Pompa da vuoto rotativa secondo la rivendicazione 1, in cui detti primi mezzi di bilanciamento e detti secondi mezzi di bilanciamento sono grani di regolazione (7, 9) alloggiati in modo mobile e regolabile in corrispondenti sedi previste in detto albero rotante (1).
8. 8. Pompa da vuoto rotativa secondo la rivendicazione 1 o 7, in cui detti primi mezzi di bilanciamento (7) sono previsti in prossimità di un primo disco rotorico (3’), che è il disco rotorico immediatamente a valle di detta porta di ingresso di detta pompa da vuoto, e detti secondi mezzi di bilanciamento (9) sono previsti in prossimità di un secondo disco rotorico (5’), che è il disco rotorico immediatamente a monte di detta porta di uscita di detta pompa da vuoto.
9. 9. Metodo per il bilanciamento di una pompa da vuoto rotativa secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 – 8, comprendente le fasi di: a) porre in rotazione detta parte rotante di detta pompa da vuoto; b) misurare le vibrazioni trasmesse da detta parte rotante di detta pompa da vuoto ad una struttura stazionaria; c) arrestare detta parte rotante di detta pompa da vuoto; e d) regolare detti primi mezzi di bilanciamento (7) e/o detti secondi mezzi di bilanciamento (9) e/o detti terzi mezzi di bilanciamento (13) di detta pompa da vuoto.
10. 10. Metodo secondo la rivendicazione 9, in cui dette fasi a) – d) sono ripetute secondo un processo iterativo.