ITMI972333A1

ITMI972333A1 - Pompa getter ad elevata velocita' di assorbimento di gas

Info

Publication number: ITMI972333A1
Application number: IT002333A
Authority: IT
Inventors: Andrea Conte
Original assignee: Getters Spa
Priority date: 1997-10-15
Filing date: 1997-10-15
Publication date: 1999-04-15
Also published as: TW386140B; KR100279705B1; RU2195579C2; JPH11190274A; DE69823449T2; JP2968795B2; DE69823449D1; EP0910106B1; KR19990036678A; EP0910106A1; CN1215799A; IT1295340B1; CN1083533C; US6149392A

Description

La presente invenzione riguarda una pompa getter ad elevata velocità' di assorbimento di gas.

Le pompe getter sono note da vario tempo nel settore del vuoto, e sono apprezzate in particolare per la loro caratteristica di essere pompe di tipo statico, cioè pompe che non presentano parti in movimento. Il funzionamento di queste pompe è basato sull'assorbimento chimico di specie gassose reattive come ossigeno, idrogeno, acqua e ossidi di carbonio da parte di elementi realizzati con materiali getter non evaporabili (noti nel settore come NEG). I principali materiali NEG sono leghe a base di zirconio o titanio.

Sono note pompe getter in cui il materiale getter è depositato su supporti metallici, generalmente piani, in forma di strati di spessore inferiore al millimetro. Per quanto ampiamente diffuse, queste pompe presentano una limitata capacità di assorbimento di gas, dovuta alla ridotta quantità di materiale getter presente.

Per ovviare a questo inconveniente, la Richiedente ha proposto negli ultimi anni pompe con un'aumentata capacità, in cui gli elementi getter sono costituiti da corpi porosi formati da polveri di materiali getter sinterizzati. Pompe .di questo tipo sono descritte per esempio nei brevetti US 5.320.496 e US 5.324.172. Queste pompe comprendono una camera metallica cilindrica al cui interno sono contenuti una pluralità di corpi getter porosi. In entrambi i casi, l'insieme dei corpi getter occupa la zona periferica della camera, lasciando una cavità cilindrica al centro della pompa che ospita un riscaldatore per l'attivazione e l'efficace funzionamento del materiale getter.

Il disegno di queste pompe è mirato all'ottenimento di un'elevata capacità di assorbimento di gas, ma non a rendere massima la velocità di tale assorbimento, che in alcune applicazioni può essere la caratteristica più importante richiesta alla pompa. In particolare, queste pompe presentano una ridotta conduttanza di gas nella zona tra la parete interna del corpo della pompa e l'insieme dei corpi getter,· inoltre, la zona più periferica dei corpi getter stessi viene riscaldata solo indirettamente, per conduzione all'interno del corpo getter stesso. Questi fattori contribuiscono a ridurre la frequenza degli urti efficaci delle molecole di gas sulle parti dei corpi getter più periferiche rispetto al centro della pompa, riducendo in definitiva la velocità complessiva di assorbimento. Modifiche anche lievi al disegno delle due pompe prima descritte non sono consigliabili in quanto, come discusso nel testo dei brevetti citati, le buone prestazioni di queste pompe sono dovute anche alle dimensioni geometriche dei corpi getter (spessori, diametri, ecc.) ed al preciso posizionamento degli stessi nella pompa.

Sono note altre pompe prodotte con corpi getter porosi, ma sono generalmente ottimizzate per impieghi particolari.

Dalla domanda di brevetto EP-A-753663 è nota una pompa getter in cui l'insieme dei corpi getter, a forma di disco, è sostenuto da un supporto centrale al cui interno è alloggiato un riscaldatore. Questa pompa è destinata a strumenti portatili e la sua costruzione è mirata all'ottenimento di una pompa di buone prestazioni ma di dimensioni contenute e che richieda basse potenze per il suo riscaldamento; questa pompa difficilmente mantiene le sue buone caratteristiche se realizzata in dimensioni maggiori.

La domanda di brevetto WO 96/17171 descrive una pompa getter a dischi simile a quella della domanda precedente. In questo caso la pompa è integrata in una macchina per la produzione di semiconduttori. L'insieme dei dischi getter col sostegno centrale viene inserito nella camera di lavoro senza un involucro, così che la velocità di assorbimento è elevata, ma questa pompa può essere usata solo nella particolare applicazione citata, e non può essere impiegata nelle varie applicazioni delle pompe getter, come per esempio collegata tramite opportune tubulazioni a strumenti scientifici.

Scopo della presente invenzione è quello di fornire una pompa ad elevata velocità di assorbimento che non presenti gli inconvenienti delle pompe della tecnica nota.

Questo scopo viene ottenuto con una pompa getter comprendente :

un involucro metallico che definisce una camera cilindrica;

un numero variabile tra tre e otto di strutture getter costituite ognuna da una pluralità di dischi porosi ottenuti per sinterizzazione di polveri di materiale getter sostenuti da un supporto centrale, dette strutture getter essendo disposte simmetricamente intorno al centro della camera e parallelamente all'asse della stessa,·

un riscaldatore al centro della camera coassiale con la stessa,· e

- un'apertura nella parete di detto involucro che mette in comunicazione dette strutture-getter con uno spazio da evacuare.

L'invenzione verrà descritta nel seguito con riferimento alle Figure in cui:

la Figura 1 mostra una vista di una possibile pompa secondo l'invenzione, in una sezione su un piano perpendicolare all'asse della pompa stessa,· la Figura 2 mostra una vista in parziale spaccato della stessa pompa, da una direzione ortogonale a quella della vista precedente;

le Figure 3, 4 e 5 mostrano diverse possibilità di impiego della pompa dell'invenzione;

le Figure 6 e 7 mostrano due viste in sezione di pompe della tecnica nota; la Figura 7a mostra un particolare della pompa della Figura 7;

la Figura 8 riporta il confronto tra la curva di assorbimento di gas della pompa dell'invenzione e di una pompa della tecnica nota.

Per esemplificare le pompe dell'invenzione, nelle figure 1 e 2 vengono mostrate sezioni di una pompa realizzata con sei strutture getter costituite da dischi su un supporto, ma come detto, il numero di tali strutture può variare,da tre a otto, e preferibilmente tra quattro e sei. Nella figura 2, per semplificare il disegno, vengono mostrate solo le tre strutture getter più lontane dal punto di vista, e di queste solo la più lontana viene mostrata in tutto il suo sviluppo verticale, mentre le altre sono mostrate solo in modo parziale .

Con riferimento alle figure 1 e 2, la pompa getter 10 secondo l'invenzione comprende un involucro 11 sostanzialmente cilindrico che può essere costituito da un segmento di tubo chiuso ad almeno un'estremità da una flangia cieca 21, oppure può essere costituito da un segmento di tubo ad una estremità del quale è saldata una base (possibilità non mostrata nelle figure); in entrambi i casi l'estremità non chiusa porta una flangia che può essere impiegata per chiudere la pompa con un'altra flangia cieca, o per il collegamento a tubulazioni o a camere da evacuare come descritto nel seguito.

L'involucro 11 definisce una camera 12; all'interno della camera 12 sono disposte le strutture getter 13, 13', ognuna costituita da dischi 14, 14', 14", ..., sostenuti da un supporto centrale 15, 15', ... I dischi sono mantenuti alla distanza desiderata tra loro lungo il supporto centrale da elementi distanziatori (non mostrati in figura) che possono essere anellini .metallici integrati nei dischi o liberi, oppure i dischi stessi possono essere prodotti con una sezione tale da avere una parte a spessore maggiore del resto del disco, così da costituire un distanziatore integrato nel disco. Le strutture getter 13, 13', .. sono disposte simmetricamente nella camera 12 intorno al centro, in cui è alloggiato il riscaldatore 16. In figura è esemplificato un riscaldatore a resistenza, ma è possibile ricorrere anche a riscaldatori di tipo diverso, come descritto nel seguito. Con questa disposizione, si vengono a formare un volume vuoto in corrispondenza della zona centrale 17 della pompa, ed una serie di volumi vuoti in corrispondenza delle zone 18, 18', . ., compresi tra due strutture getter adiacenti nella parte periferica della camera. Questi volumi vuoti, che si estendono per tutta l'altezza della pompa, sono di estrema importanza per l'ottenimento di elevate velocità di assorbimento perché rappresentano conduttanze per il trasporto del gas sulle superfici del materiale getter.

L'involucro 11 presenta un'estremità aperta 19 con una flangia 20 per il collegamento della pompa allo spazio da evacuare o ad opportune controflange di raccordo con tubulazioni. La flangia porta generalmente una o più guarnizioni (non mostrate in figura), di materiale polimerico o in metallo a seconda del grado di vuoto desiderato, secondo modalità note agli esperti del ramo.

Con riferimento alle figure da 3 a 5, vengono mostrate varie possibili configurazioni di impiego delle pompe dell'invenzione. In figura 3 viene esemplificato l'uso della pompa-10 collegata ad una generica camera C da evacuare tramite una tubulazione T, generalmente realizzata in metallo ed eventualmente snodabile, secondo modalità note nel settore del vuoto. In figura 4 viene mostrata una configurazione in cui la pompa 10 è collegata direttamente, tramite la flangia 20, alla camera C da evacuare. Infine, in figura 5 viene mostrata una configurazione d'uso della pompa 10 in cui questa è inserita direttamente nella camera C; in quest'ultimo caso l'apertura superiore 19 della pompa viene lasciata semplicemente aperta e la flangia 20 non viene utilizzata, mentre l'involucro il acquista la funzione di schermo per evitare che eventuali particelle di materiale getter possano muoversi nella camera, e per rendere più omogeneo il riscaldamento delle strutture getter.

Come detto, il numero delle strutture getter presenti nella camera 12 secondo l'invenzione è variabile tra tre e otto, e preferibilmente tra quattro e sei. Con un numero di strutture getter minore di tre o maggiore di otto si hanno degli inconvenienti dovuti alla non efficace occupazione dello spazio nella camera. In particolare, con due strutture getter si ha un eccessivo volume vuoto in corrispondenza delle zone 18, 18', mentre risulta limitato lo spazio a disposizione per alloggiare il riscaldatore; viceversa, con un numero di strutture getter maggiore di otto si ha un eccessivo volume vuoto in corrispondenza della zona 17 al centro della pompa, con conseguente riduzione del materiale getter a parità di dimensioni complessive della pompa e diminuzione dell'efficienza di riscaldamento da parte dell'elemento 16. Con un numero di strutture getter compreso tra quattro e sei si ottiene il miglior compromesso tra le distanze delle strutture getter tra loro e con il riscaldatore, così come tra volume di materiale getter presente e volume delle conduttanze nelle zone 17 e 18, 18'.

Le strutture getter 13, 13', .. possono essere mantenute nella geometria desiderata per esempio montandole su opportuni profilati metallici, così da ottenere un "castello" di tali strutture che viene poi inserito nella camera 12; in alternativa, è possibile prevedere nelle pareti interne 22 delle basi circolari dell'involucro 11 opportuni alloggiamenti (non rappresentati) che ricevano, per esempio, le estremità dei sostegni 15, 15', il profilato metallico, così come altri dettagli relativi al metodo di montaggio delle strutture getter nella pompa, non sono riportate nelle figure. I metodi di montaggio qui citati, così come altri possibili metodi alternativi, risulteranno ow ii agli esperti nel settore delle costruzioni meccaniche .

L'involucro il viene generalmente realizzato in metallo, preferibilmente in acciaio AISI 304L o 316L , così come i sostegni 15, 15', .. delle strutture getter. Tale involucro può essere in pezzo unico, ottenuto saldando le varie parti metalliche che lo compongono dopo aver introdotto nello spazio 12 le strutture getter 13, 13', .... Preferibilmente, però, l'involucro è costituito da almeno due parti che possono essere serrate tra loro a tenuta di vuoto; per esempio, la base circolare 21 può essere una flangia cieca che può essere avvitata su una controflangia che è parte del bordo inferiore della parete cilindrica dell'involucro stesso; la tenuta può essere garantita da una o più guarnizioni poste tra le flange. Questa struttura è preferita in quanto consente operazioni di manutenzione della pompa, per esempio per periodiche sostituzioni del riscaldatore o delle strutture getter.

I dischi 13, 13', 13", ..., sono ottenuti con i -metodi noti di sinterizzazione di polveri di materiali getter. I materiali getter che possono essere impiegati sono i più vari, e comprendono generalmente i metalli titanio e zirconio, loro leghe con uno o più elementi scelti tra i metalli di transizione e alluminio, e miscele tra una o più di queste leghe con titanio e/o zirconio. Tra i materiali più comunemente usati per la produzione di pompe getter ci sono la lega di composizione percentuale in peso Zr 70% - V 24,6% - Fe 5,4%, prodotta e venduta dalla richiedente con il nome St 707™, ed una miscela comprendente il 60% in peso di lega St 707™ e 40% zirconio, prodotta e venduta dalla richiedente con il nome St 172. Preferito è l'impiego dei materiali descritti nella domanda di brevetto EP-A-719609 a nome della richiedente, a cui si rimanda per i dettagli sulla composizione chimica e sulla produzione dei dischi.

Il riscaldatore 16 può essere costituito da una lampada, per esempio al quarzo, o da una resistenza, per esempio ottenuta avvolgendo ad elica un filo metallico intorno ad un sostegno ceramico, come noto nel settore.

L'elevata velocità di pompaggio delle pompe dell'invenzione può essere ascritta alla loro particolare geometria, infatti, se si confronta una pompa dell'invenzione con la pompa del brevetto US 5320496 citato, mostrata in figura 6, si noterà che quest'ultima presenta una scarsa conduttanza di gas nella zona periferica dei corpi getter 60, 60', .., la cui superficie esterna è quindi scarsamente accessibile ai gas con conseguente riduzione della velocità di assorbimento complessiva. Viceversa, come prima discusso, la pompa della presente invenzione presenta un'elevata conduttanza di gas, ed un facile accesso di questi a tutte le superfici degli elementi getter, grazie ai volumi vuoti in corrispondenza delle zone 17 e 18, 18', ...

Nel caso della pompa del brevetto' US 5324172 citato, la configurazione degli elementi getter consente un agevole trasporto del gas su tutte le superfici degli elementi getter stessi, ma l'efficienza con cui questi vengono irradiati da parte del riscaldatore centrale non è ottimale; infatti, come mostrato nelle figura 7 e 7a, in questa pompa l'unica parte degli elementi getter riscaldata direttamente è . una piccola superficie rettangolare 70 avente come lati l'altezza e lo spessore dell'elemento, mentre il resto dell'elemento è riscaldato solo per conduzione di calore all'interno del corpo stesso. Viceversa, nella pompa dell'invenzione la superficie di ogni elemento getter direttamente esposta ad irraggiamento da parte del riscaldatore 16 è maggiore, e corrisponde a metà della circonferenza del disco moltiplicata per il suo spessore.

Nei seguenti esempi vengono riportate le modalità di svolgimento di prove di velocità di assorbimento di una pompa getter dell'invenzione confrontata con la velocità di assorbimento di una pompa della tecnica nota.

ESEMPIO 1

E' stata costruita una pompa getter secondo l'invenzione, costituita da un involucro che definisce una camera cilindrica alta 135 mm e di diametro interno 92 mm aperta superiormente e contenente sei strutture getter ognuna comprendente 50 dischi di diametro 2,54 cm. Osservando la pompa dall'apertura superiore, le sei strutture getter risultano inscritte in una corona circolare tale che al centro della pompa rimane uno spazio vuoto del diametro di 31 mm, mentre le strutture distano dalla parete interna dell'involucro circa 3 mm. Al centro della pompa è alloggiata una lampada al quarzo per il riscaldamento del materiale getter. I dischi sono prodotti con la lega St 172 citata. La prova di velocità di assorbimento è stata effettuata secondo le modalità dello standard ASTM F 798-82, alla temperatura di 250°C, ed impiegando CO come gas di prova. I risultati della prova vengono riportati in scala doppio logaritmica in figura 8 come curva 1; viene mostrato l'andamento della velocità di assorbimento di gas, V, misurata in litri al secondo (l/s) in funzione della quantità di gas assorbita, Q, misurata in mbar per litro (mbar'l)

ESEMPIO 2 (COMPARATIVO)

La prova dell'esempio 1 viene ripetuta con una pompa uguale per dimensioni e materiali a quella dell'esempio 1, a parte il fatto che al posto di dischi getter impilati si usano lamine di materiale getter disposte come descritto nel brevetto US 5324172 citato. Osservando la pompa dall'apertura superiore le lamine di materiale getter risultano disposte in una corona circolare avente le stesse dimensioni di quelle descritte per la pompa dell'esempio 1. I risultati di questa prova vengono riportati in figura 8 come curva 2.

.Come si vede dal confronto delle curve in figura 8, a parità di dimensioni della pompa e di volume occupato in questa dal materiale getter, la pompa dell'invenzione presenta inizialmente una velocità di assorbimento circa cinque volte maggiore di quella della pompa della tecnica nota.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Pompa getter ad elevata velocità di assorbimento comprendente: - un involucro metallico (11) che definisce una camera cilindrica (12); un numero variabile tra tre e; otto di strutture getter (13, 13', ..) costituite ognuna da una pluralità di dischi porosi (14, 14', 14", ..) ottenuti per sinterizzazione di polveri di materiale getter sostenuti da un supporto centrale (15, 15', ..), dette strutture getter essendo disposte simmetricamente intorno al centro della camera e parallelamente all'asse della stessa; - un riscaldatore (16) al centro della camera coassiale con la stessa,· e un'apertura (19) nella parete di detto involucro che mette in comunicazione dette strutture getter con uno spazio da evacuare.
2. Pompa getter secondo la rivendicazione 1 comprendente da quattro a sei strutture getter.
3. Pompa getter secondo la rivendicazione l in cui l'involucro è costituito da almeno due parti che possono essere serrate tra loro a tenuta di vuoto .
4. Pompa getter secondo la rivendicazione 3 con una base (21) costituita da una flangia cieca che può essere avvitata al bordo inferiore della parete cilindrica dell'involucro (11), in sua parte sagomata a controflangia.
5. Pompa getter secondo la rivendicazione 1 in cui i dischi di materiale getter sono prodotti con polveri sinterizzate di un metallo scelto tra titanio e zirconio.
6. Pompa getter secondo la rivendicazione 1 in cui i dischi di materiale getter sono prodotti con polveri sinterizzate di leghe metalliche di titanio e/o zirconio con uno o più elementi scelti tra i metalli di transizione e alluminio.
7. Pompa getter secondo la rivendicazione 1 in cui i dischi di materiale getter sono prodotti per sinterizzazione di una miscela di polveri di titanio e/o zirconio e di una lega comprendente titanio e/o zirconio ed uno o più elementi scelti tra i metalli di transizione e alluminio.
8. Pompa getter secondo la rivendicazione 6 in cui i dischi di materiale getter sono prodotti impiegando una lega di composizione percentuale in peso Zr 70% - V 24,6% - Fe 5,4%.
9. Pompa getter secondo la rivendicazione 7 in cui i dischi di materiale getter sono prodotti impiegando una miscela tra polveri di una lega di composizione percentuale in peso Zr 70% - V 24,6% -Fe 5,4% e polveri di zirconio metallico.
10. Pompa getter secondo la rivendicazione 9 in cui la miscela di polveri comprende il 60% in peso di lega ed il 40% in peso di zirconio metallico .