ITMI982235A1 - Dispositivo di schermatura mobile in funzione della temperatura tra pompa getter e pompa turbomolecolare collegate in linea. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell’invenzione industriale dal titolo:

“DISPOSITIVO DI SCHERMATURA MOBILE IN FUNZIONE DELLA TEMPERATURA TRA POMPA GETTER E POMPA TURBOMOLECOLARE COLLEGATE IN LINEA”,

La presente invenzione riguarda un dispositivo di schermatura mobile, in funzione della temperatura, tra una pompa getter ed una pompa turbomolecolare collegate in linea, per sistemi ad alto vuoto.

E noto che le pompe getter, il cui funzionamento é basato sull’assorbimento chimico di specie gassose reattive come 02, H2, acqua ed ossidi di carbonio da parte di elementi realizzati con materiali getter non evaporabili (noti nel settore come NEG) lavorano quasi sempre in combinazione con altre pompe per la produzione ed il mantenimento dell’alto vuoto in un ambiente circoscritto. Mentre la prima fase di pompaggio ad alta pressione viene realizzata normalmente mediante pompe meccaniche (per esempio rotative), livelli elevati di vuoto si possono ottenere mediante pompe getter in combinazione con pompe ioniche, criogeniche o turbomolecolari. Risulta particolarmente vantaggiosa la combinazione pompa getter/pompa turbomolecolare che presenta una somma di differenti comportamenti nei confronti dei gas presenti nell’atmosfera o comunque da eliminare; in particolare, la pompa getter impiegata a temperatura ambiente presenta un’ottima capacità di asorbimento per l’idrogeno, che è il gas più difficilmente eliminato dalla turbomolecolare. Una simile combinazione è utile particolarmente quando si tratta di evacuare una camera di lavoro usata per operazioni in alto vuoto, come per esempio un acceleratore di particelle o una camera di una macchina di processo dell’industria dei semiconduttori.

È noto altresì che questi vantaggi potrebbero raggiungere un valore massimo montando le due pompe in serie tra loro, con la pompa getter a monte della turbomolecolare e coassiale con questa. Tuttavia una tale disposizione comportava certi inconvenienti il più importante dei quali discende dal fatto che il materiale getter non evaporabile deve essere attivato a temperature di circa 500-600°C, tramite riscaldamento per irraggiamento dalTintemo o per passaggio di corrente elettrica negli elementi getter; inoltre, in alcune applicazioni il materiale getter viene mantenuto a temperature di circa 200-300°C (mentre, come detto, quando lo scopo è massimizzare l’assorbimento di idrogeno, il materiale getter viene fatto lavorare a temperatura ambiente). Il riscaldamento della pompa getter ha come conseguenza il riscaldamento indiretto (principalmente dovuto a irraggiamento) anche della pompa turbomolecolare. Ciò dava luogo a dilatazioni delle palette oltre le tolleranze (peraltro minime) ammissibili per un buon funzionamento della pompa stessa. Per eliminare questo inconvenieute, era possibile aumentare la distanza tra le due pompe, introdurre schermi termici fissi tra di esse o collegare le stesse pompe in modo non coassiale, tramite un elemento “a gomito”: tutte queste soluzioni comportavano d’altra parte una riduzione inaccettabile della conduttanza del flusso di gas, per cui le due pompe venivano quasi sempre montate, tramite flange, a due diverse aperture della camera da evacuare, rinunciando così ai vantaggi insiti nel disporre le due pompe direttamente in linea e coassiali tra loro.

Con la domanda di brevetto MI97A001420, a nome della stessa richiedente, si é cercato di ovviare ai summenzionati inconvenienti mediante una pompa getter montata a monte, in prossimità e coassialmente ad una pompa turbomolecolare, avente una struttura tale da rendere minimo il riscaldamento diretto della pompa turbomolecolare, riducendo allo stesso tempo l’eventuale perdita di particelle dalla pompa NEG con una minima riduzione di conduttanza. Tuttavia la struttura della pompa, costituita da un elemento metallico filiforme allungato, sagomato a zig-zag, con materiale getter non evaporabile poroso depositato per sinterizzazione su di esso, ed avetite una configurazione tale da occupare una zona periferica, a corona circolare, di una cartuccia cilindrica atta a costituire il supporto della pompa getter, rendeva necessaria la produzione di una pompa getter particolare, da realizzarsi appositamente allorché era previsto Timpiego in abbinamento ad una pompa turbomolecolare, restando quindi escluso l’utilizzo di pompe NEG di produzione normale, meno costose e forse più efficienti, non destinate all’uso specifico di lavorare in combinazione con pompe turbomolecolaii

Costituisce pertanto uno scopo della presente invenzione quello di fornire un dispositivo di schermatura mobile da interporre fra pompa getter e pompa turbomolecolare in sistemi ad alto vuoto, tale da rendere possibile il collegamento in linea tra le due pompe senza gli inconvenienti summenzionati.

Un altro scopo della presente invenzione é quello di fornire un dispositivo di schermatura mobile tra pompa NEG e pompa turbomolecolare in linea, tale da passare automaticamente da una configurazione di schermatura completa ad una configurazione che lascia sostanzialmente libera la sezione di passaggio tra le due pompe, con la massima conduttanza, in funzione della temperatura dovuta allo irraggiamento dalla pompa getter verso la pompa turbomolecolare.

Ulteriore scopo della presente invenzione é quello di fomite un dispositivo di schermatura del tipo summenzionato, con il quale é possibile utilizzare in diretto abbinamento con una pompa turbomolecolare una pompa NEG di tipo qualsiasi commerciale, non necessariamente prevista a questo scopo.

Quanto sopra viene ottenuto con un dispositivo di schermatura mobile montato su una flangia di collegamento fra pompa NEG e pompa turbomolecolare e comprendente una pluralità di elementi metallici schermanti atti a modificare automaticamente la loro forma o il loro orientamento, in fruizione della temperatura del dispositivo stesso, fra due diverse configurazioni, in una prima delle quali gli elementi schermanti sono sostanzialmente complanari e costituiscono uno schermo pressoché continuo tra pompa NEG e pompa turbomolecolare, mentre nella seconda configurazione detti elementi presentano il minimo ingombro possibile nella sezione di passaggio tra le due pompe, assicurando la massima conduttanza, i suddetti elementi schermanti comprendendo elementi di un materiale a memoria di forma, di tipo noto, sensibili alla temperatura per passare da una prima forma, corrispondente ad una temperatura più elevata in un campo di temperature di funzionamento del materiale a memoria di forma, associata a detta prima configurazione degli elementi schermanti, ad una seconda forma corrispondente ad una temperatura inferiore nel suddetto campo di temperature, cui é associata detta seconda configurazione degli elementi schermanti.

Questi ed altri scopi, vantaggi e caratteristiche del dispositivo di schermatura secondo la presente invenzione risulteranno più chiaramente dalla seguente dettagliata descrizione di alcune sue forme realizzative preferite, riportate a titolo esemplificativo ma non limitativo con riferimento ai disegni annessi in cui:

la FIGURA 1 mostra una vista schematica in sezione longitudinale ed a parti staccate del gruppo costituito da una pompa getter (NEG) e da una pompa turbomolecolare, con interposto un dispositivo di schermatura mobile secondo la presente invenzione, in situazione di chiusura;

la FIGURA la mostra una vista in sezione come in fig. 1 del solo dispositivo di schermatura, in posizione aperta;

le FIGURE 2 e 2a mostrano, in una vista parziale prospettica, alcuni elementi schermanti del dispositivo secondo la presente invenzione nella forma realizzatila delle figg. 1 e la, rispettivamente nella posizione di apertura e di chiusura;

le FIGURE 3 e 3a mostrano, ancora in vista parziale prospettica, tTe soli elementi schermanti del dispositivo secondo la presente invenzione in una forma realizzativa alternativa, rispettivamente in posizione di apertura e di chiusura ed in entrambi i casi con un particolare ingrandito.

Gli schermi dell’invenzione sono costituiti da elementi realizzati interamente o parzialmente con materiali a memoria di forma. Questi materiali sono già noti per altre applicazioni e hanno la caratteristica che oggetti con essi realizzati possono transire, in tempi ridottissimi e senza posizioni intermedie di equilibrio, tra due forme, predefinite e fissate in sede di produzione, in seguito ad un cambiamento di temperatura. Gli schermi dell’invenzione sono tali che riscaldandosi, essenzialmente per irraggiamento, quando la pompa getter é riscaldata a temperature fino a 500-600°C, assumono la forma “chiusa”, tale cioè che il cammino ottico tra la pompa getter e la turbomolecolare é interrotto, proteggendo così quest’ultima dal riscaldamento; quando la pompa getter é fredda, gli schermi dell’invenzione si raffreddano a loro volta, assumendo la forma “aperta”, in cui gli elementi che compongono gli schermi presentano la minor superficie possibile nella direzione del cammino ottico tra le due pompe, garantendo così la massima conduttanza di gas verso la pompa turbomolecolare.

1 materiali a memoria di forma comprendono una prima classe di materiali, in cui la transizione tra una prima ed una seconda forma predefinite avviene per effetto di una variazione di temperatura, mentre la trasformazione inversa, tra la seconda e la prima forma, richiede un intervento esterno con applicazione di una forza meccanica. Per gli scopi della presente invenzione sono utili i materiali appartenenti ad una seconda classe, che presentano il cosiddetto meccanismo di “memoria di forma a due vie”, in cui sia la trasformazione diretta che quella inversa avvengono per variazione di temperatura. Si ritiene che questi materiali trasformino la loro struttura micro cri stalliti a passando da un tipo marteusitico, stabile a temperature più basse, ad un tipo austenitico, stabile a temperature più alte, e viceversa. La trasformazione tra le due forme avviene secondo un ciclo, simile ad un ciclo di isteresi, caratterizzato da quattro valori di temperatura: durante il riscaldamento, a partire da una temperatura bassa in cui é stabile la fase martensitica, si raggiunge una temperatura As in cui inizia la trasformazione nella fase austenitica, ed una temperatura Af che identifica il completamento della trasformazione in austenite; durante il raffreddamento a partire dal campo di temperature in cui é stabile la fase austenitica, si raggiunge prima una temperatura Ms, alla quale inizia la trasformazione nella fase martensitica, e quindi una temperatura Mf in cui finisce questa trasformazione. Le temperature effettive delle trasformazioni sopra citate variano con il tipo di materiale e con il processo di produzione dello stesso, ma per ogni materiale queste temperature sono sempre nell’ordine Mf < Ms < As < Af. I parametri più importanti, per gli scopi dell’invenzione, nella valutazione dei materiali a memoria di forma a due vie sono le temperature Mf e Af. Poiché le pompe turbomolecolari possono funzionare fino a quando la temperatura delle parti in movimento non supera valori di circa 120°C, il materiale a memoria di forma impiegato deve presentare un valore di Af non superiore a questa temperatura, e preferibilmente non superiore a circa 100°C, di modo che la trasformazione, con conseguente cambiamento di forma e chiusura dello schermo, sia completa quando la temperatura raggiunge valori che sarebbero critici per la turbomolecolare. La temperatura Mf, alla quale si completa l’apertura dello schermo termico, potrebbe essere qualunque, ma é preferibilmente superiore alla temperatura ambiente; ciò consente di realizzare l’apertura dello schermo per semplice raffreddamento naturale dello schermo conseguente al raffreddamento della pompa getter, senza dover ricorrere a mezzi di raffreddamento appositi. Materiali che presentano temperature di transizione utili per gli scopi dell’invenzione sono soprattutto le leghe Ni-Ti, in particolare con Ni compreso tra il 54 ed il 56% in peso, la parte rimanente essendo titanio. Particolarmente preferite sono le leghe di composizione Ni 55,1 ÷ 55,5%, il resto titanio. Queste leghe presentano valori di Af compresi tra circa 90 e 115°C, e valori di Mf tra circa 50 e 80°C. Possono essere anche utilizzate leghe ternarie di rame, come le leghe Cu-Al-Ni, o preferibilmente le leghe Cu-Al-Zn contenenti, in peso, tra circa 70 e 77% di rame, tra circa 5 e 8% di alluminio e tra circa 15 e 25% di zinco.

Con riferimento alla fig.l, viene mostrato, in una sua forma realizzativa preferita, un dispositivo di schermatura termica 10 in via di assemblaggio con una pompa getter non evaporabile GP e con una pompa turbomolecolare TMP per formare un insieme per la produzione ed il mantenimento dell’alto vuoto in una camera, per esempio di una macchina di processo nell’industria dei semiconduttori. Mentre gli elementi schermanti 11 verranno meglio descritti in seguito, é visibile la flangia 13 da alto vuoto su cui sono montati, provvista di fori passanti periferici 12, 12a per il fissaggio mediante opportuni mezzi (non rappresentati) in corrispondenti fori periferici previsti alle estremità confinanti delle due pompe. La pompa GP presenta poi un’altra serie di fori passanti all’estremità opposta per il fissaggio alla camera da evacuare:.

La flangia 13 é del tipo standard da vuoto a doppia tenuta, in acciaio speciale e generalmente impiegata con guarnizioni da vuoto in rame. Si noti che la pompa getter rappresentata in figura é del tipo comprendente una pila di dischi di materiale getter non evaporabile su un sostegno centrale, ma come già detto in precedenza potrebbe essere di qualsia» altro tipo, non essendovi limitazioni di sorta all’utilizzo in linea con una pompa turbomolecolare, quando si adotti un dispositivo schermante intermedio 10 secondo la presente invenzione.

Si noti che in fig.1 gli elementi schermanti 11 sono stati rappresentati schematicamente a forma di “V” in una situazione di chiusura, tale cioè da impedire un qualsiasi cammino ottico tra la pompa GP e la TMP, così da bloccare allo stesso modo un qualsiasi flusso termico tra le due pompe ed in particolare tra la pompa getter e la turbomolecolare.

In fig. la é stato invece rappresentato, sempre schematicamente, Io stesso dispositivo 10 secondo la presente invenzione con gli elementi 11 non più nella configurazione a “V” in sezione, tale da costituire una “spina di pesce” per rinterdizione termica tra le due pompe GP e TMP, ma invece in una configurazione aperta, tra loro paralleli, così da offrire il minimo ingombro possibile, dato dal loro ridotto spessore, nella sezione di passaggio costituita dall’area interna della flangia 13.

Con riferimento alle figg.2 e 2a, viene rappresentata più chiaramente una forma realizzativa preferita degli elementi schermanti 11, 11, 1 1 ” 11 ", completamente realizzati in lega a memoria di forma, rappresentati rispettivamente in posizione aperta dello schermo, in cui tutti gli elementi 11, 115, .... hanno una configurazione piana e sono tra loro paralleli in una direzione perpendicolare alla sezione di passaggio fra le due pompe GP e TMP di fig. 1. Ogni elemento é fissato con mezzi meccanici di fissaggio come viti e bulloni o mediante punti di saldatura ad una piattina metallica 14, 14’, 14”,...14n. Dette piattine, realizzate in metallo non a memoria di forma, per esempio in acciaio, costituiscono il supporto degli elementi di schermatura e l’asse intorno a cui essi ruotano per assumere la forma “chiusa” o a “V” rappresentata in fig.2a. Tutte le piattine 14, .... sono fissate alle loro estremità alla flangia di supporto 13, non mostrata nelle figg. 2 e 2a, ma schematizzata in fig.2 da una linea curva tratteggiata che ne rappresenta la traccia. Le due linee tratteggiate, centrali e parallele per- ogni elemento 11 rappresentano, oltre che la traccia della piattina di supporto, anche le due linee lungo le quali gli elementi sono predisposti a piegarsi durante il cambiamento di forma, come si vede meglio in fig.2a che mostra gli elementi schermanti nella loro forma a “V”, già schematizzata in fig.l, fino alla coppia di elementi centrali, che si estendono lungo tutto il diametro interno della flangia 13, e che rivolgono Γ apertura della “V” da parti opposte, essendo montati sulla stessa piattina di supporto 14". In tale configurazione viene completamente bloccato il cammino ottico tra pompa getter GP e pompa TMP..

Una forma realizzai iva alternativa degli elementi schermanti per un dispositivo secondo la presente invenzione é rappresentata, nelle due configurazioni di apertura e chiusura, rispettivamente nelle figg.3 e 3a. In questo caso gli elementi schermanti 31, 3Γ, 31” non sono costituiti interamente di materiale a memoria di forma, ma sono formati da una lamina metallica 32, 32’, 32”,.... ai cui lati di estremità sono resi solidali due elementi formati in lega a memoria di forma (33, 33a). Ogni elemento 33, 33a é predisposto a piegarsi, in funzione della temperatura come detto in precedenza, lungo una linea centrale rappresentata a tratto e punto. Tale linea centrale di piegatura definisce in ciascun elemento 33,33a due aree 34, 35, la prima delle quali é fissata alla flangia 13 (neppure qui rappresentata, ma schematizzata con la sua traccia mediaute una linea tratteggiata ellittica), per esempio grazie ad un punto di saldatura o elemento di fissaggio 34’. L’altra zona 35, di ciascun elemento 33, 33a, viene fissata alla lamina 32, 32’,.... del corrispondente elemento schermante 31, 31’,.... anche qui mediante un punto di saldatura o elemento di fissaggio 35’. In tal modo, allorché gli elementi 33, 33a mutano la loro configurazione da quella sostanzialmente ad L di fig.3 a quella sostanzialmente piana di fig.3a in funzione di un aumento di temperatura, viene a determinarsi la conseguente rotazione contemporauea di tutti gli elementi schermanti che assumono così la configurazione chiusa di fig.3a con gli elementi tra loro complanari, a bordi sovrapposti per la schermatura completa del passaggio tra le due pompe. Le lamine 32, 32’,.... sono costituite preferibilmente di acciaio. Si noti che in questo caso la configurazione ad angolo degli elementi a memoria di forma corrisponde alla situazione di apertura dello schermo e quindi ad una temperatura inferiore rispetto a quella in cui essi presentano una configurazione piana e lo schermo é sostanzialmente chiuso, contrariamente a quanto accadeva nella forma realizzativa delle figure precedenti.

Eventuali aggiunte e/o modifiche potranno essere apportate dagli esperti del ramo alle forme realizzative sopra descritte ed illustrate del dispositivo di schermatura secondo la presente invenzione, in particolare degli elementi schermanti e delle parti costituite da lega a memoria di forma che ne determinano il diverso orientamento in funzione della temperatura.

Claims (18)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di schermatura mobile (10) montato su una flangia da vuoto (13) collegante in linea una pompa getter non evaporabile (GP) ed una pompa turbomolecolare (TMP), caratterizzato dal fatto di comprendere una molteplicità di elementi metallici schermanti (11, 11’, 31, 31'....) atti a modificare automaticamente la loro forma o il loro orientamento in funzione della temperatura del dispositivo stesso, fra due diverse configurazioni, in una prima delle quali gli elementi schermanti sono sostanzialmente complanari e costituiscono uno schermo pressoché continuo tra le due pompe, mentre nella seconda configurazione detti elementi (11, 11’,....; 31, 31'....) presentano il minimo ingombro possibile nella sezione di passaggio tra le due pompe, assicurando la massima conduttanza, i suddetti elementi schermanti comprendendo elementi di un materiale a memoria di forma, di tipo uoto, sensibili alla temperatura per passare da una prima forma, corrispondente ad una temperatura più elevata in un campo di temperature di funzionamento del materiale a memoria di forma, associata a detta prima configurazione degli elementi schermanti, ad una seconda forma corrispondente ad una temperatura inferiore nel suddetto campo di temperature, cui é associata la seconda configurazione degli elementi schermanti.
2. 2. Dispositivo schermante secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti elementi metallici schermanti (11, 11 ’, 11 n) sono essenzialmente costituiti da detto materiale a memoria di forma.
3. 3. Dispositivo schermante secondo la rivendicazione 2, in cui detto materiale a memoria di forma é costituito da una lega Ni-Ti.
4. 4. Dispositivo secondo la rivendicazione 3, in cui detta lega Ni-Ti ha una composizione comprendente tra 54 e 56% in peso Ni, il resto Ti.
5. 5. Dispositivo secondo la rivendicazione 4, in cui detta lega Ni-Ti ha una composizione comprendente tra 55,1 e 55,5% in peso Ni, il resto Ti.
6. 6. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, in cui detto materiale a memoria di forma è una lega Cu-Al-Zn.
7. 7. Dispositivo secondo la rivendicazione 6, in cui detta lega Cu-Al-Zn comprende, in peso, tra circa 70 e 77% di rame, tra circa 5 e 8% di alluminio e tra circa 15 e 25% di zinco.
8. 8. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detti elementi schermanti (11, 1Γ...) sono disposti tra loro affiancati e paralleli ad un diametro di detta flangia (13), alla quale ciascuno di essi é collegato alle estremità di una piattina centrale (14, 14’,....) in metallo non a memoria di forma, la distanza reciproca tra dette piattine (14, 14’,...), corrispondente alla distanza tra detti elementi schermanti (11, 1 Γ,....) in posizione aperta, essendo inferiore alla semilarghezza degli elementi stessi, per cui due qualsiasi di questi, tra loro adiacenti, risultano sostanzialmente sovrapposti in detta prima configurazione di chiusura.
9. 9. Dispositivo secondo la rivendicazione 8, in cui detti elementi schermanti (11, U’,...) assumono una forma a “V” in detta seconda configurazione di chiusura.
10. 10. Dispositivo schermante secondo la rivendicazione 1, in cui detti elementi schermanti (31, 31'...) sono costituiti da lamine metalliche (32, 32’,...), ciascuna delle quali é associata ad almeno un’estremità, ad un elemento a memoria di forma (33, 33’,...; 33a, 33’a...).
11. IL Dispositivo secondo la rivendicazione 10, in cui detto elemento a memoria di forma è costituito da una lega Ni-Ti.
12. 12. Dispositivo secondo la rivendicazione 11, in cui detta lega Ni-Ti ha una composizione comprendente tra 54 e 56% in peso Ni, il resto Ti.
13. 13. Dispositivo secondo la rivendicazione 12, in cui detta lega Ni-Ti ha una composizione comprendente tra 55,1 e 55,5% in peso Ni, il resto Ti.
14. 14. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, in cui detto materiale a memoria di forma è una lega Cu-Al-Zn.
15. 15. Dispositivo secondo la rivendicazione 14, in cui detta lega Cu-Al-Zn comprende, in peso, tra circa 70 e 77% di rame, tra circa 5 e 8% di alluminio e tra circa 15 e 25% di zinco.
16. 16. Dispositivo secondo la rivendicazione 10, in cui dette lamine metalliche (32, 32’,...) sono tutte disposte parallele tra loro e ad un diametro di detta flangia (13) alla quale sono collegate ad almeno un’estremità mediante una prima zona (34) di detti elementi a memoria di forma (33, ...;33a,...).
17. 17. Dispositivo secondo la rivendicazione 16, in cui ciascun elemento a memoria di forma (33...;33a,...) comprende, oltre a detta parte (34) di collegamento alla flangia (13), una seconda parte (35) sostanzialmente uguale alla prima, per mezzo della quale esso é collegato alla lamina corrispondente (32, 32’,...).
18. 18. Dispositivo secondo la rivendicazione 17, in cui la distanza tra due qualsiasi elementi schermanti adiacenti (31, 31’,...) é inferiore alla semilarghezza degli elementi stessi, per cui in detta prima configurazione di chiusura degli elementi a memoria di forma (33, 33’,...) le corrispondenti lamine metalliche (32, 32’,...) in posizione di chiusura sono tra loro parzialmente sovrapposte almeno nella zona dei bordi.