DRY VACUUM PUMP TECHNOLOGIES

Le tecnologie delle pompe a secco

Dr.Joris Cinquetti Cinquepascal srl

Drypumping Technology

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La tecnologia del pompaggio a secco E’ UNA TECNOLOGIA BEN STABILIZZATA; per le applicazioni industriali più gravose si può contare su :

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20 anni di esperienza >150.000 drypump installate

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Semiconductor Processing

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Dusty Application (CVD) Applicazioni Aggressive (Etching)

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Processi Chimici

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Processi con Acidi e solventi in applicazioni che presentano spesso il rischio di ingestioni liquide

Drypumping Technology

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Quali sono le ragioni per utilizzare le pompe a secco se sono più care delle pompe tradizionali?

Perché il pompaggio a secco?

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L’olio è il punto critico nei processi di pompaggio

I meccanismi di pompaggio sono senza olio (OIL FREE) e quindi non vi è nessun processo connesso al degrado dell’olio nelle pompe a secco. • Con l’olio quello che entra in pompa non è ancora fuori dal processo! L’ingresso di polveri nell’olio conduce alla formazione di una melma compatta che può rigare i meccanismi ed indurre perdita nelle prestazioni della pompa, oppure può occludere le linee di lubrificazione danneggiando definitivamente i meccanismi. I vapori condensabili (tipicamente l’acqua) emulsionano nella pompa modificandone le caratteristiche e potenzialmente corrodendola. L’olio viene attaccato e degradato da molti prodotti di processo (solventi o gas da plasma, etc)

Vantaggi del pompaggio a secco

Riduzione dei costi di processo

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Sicurezza e Affidabilità I meccanismi non sono a contatto tra loro Minima usura Riduzione della manutenzione ordinaria olio e filtri Riduzione della manutenzione straordinaria la pompa aggredita e corrosa tipica dell’olio non è più così frequente e la manutenzione è solamente dedicata alla integrità meccanica (esempio i cuscinetti) e prevedibile su tempi lunghi (6 anni)

Vantaggi del pompaggio a secco

   

Pompaggio di vapore acqueo, solventi ed aggressivi con possibilità di diluizione forte per gas corrosivi, tossici e piroforici Possibilità di recuperare il solvente “pulito” allo scarico della pompa Possibilità per polveri solide di attraversare il meccanismo pompante. Questa possibilità non esiste nelle pompe con olio nelle quali la contaminazione solida finisce con rompere il meccanismo Possibilità di lavorare a qualsiasi pressione intermedia senza particolari problemi

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Benefici comuni ai vari tipi di pompe a secco

Benefici ambientali

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Nessun olio da stoccare.

Nessun olio da smaltire

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Nessun olio emesso in ambiente Nessun olio respirato dal personale Benefici tecnologici di processo

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Uniformità nel tempo delle prestazioni delle pompe Recupero facilitato dei gas pompati e facilità di trattamento degli stessi Processi puliti

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Non vi è inquinamento della camera di processo Non vi è inquinamento del gas pompato Non vi è cross contamination

Applicazioni

• Distillazione • Essiccamento • Evaporazioni • Reattori • Pompaggio e Recupero Solventi • Pompaggi in sterilizzatori con ossido di etilene • Impianti centralizzati • Pompaggio di gas con basse temperatura di auto-ignizione (T4) • Pompaggio di gas infiammabili (IIA,IIB) • Pompaggio di gas corrosivi • Pompaggio di acidi grassi • Ricircolo gas di processo (azoto elio etc) • Fornaci da vuoto (metallurgia) • Liofilizzazione

Principi delle Dry Pump Technologies

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Nell’industria:

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Lobi tipo Roots e multiroots

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Vite Claw e multiclaw e combinazioni

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Palette di grafite Le pompe a secco debbono garantire che potenziali contaminazioni passino attraverso i meccanismi

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• Nei laboratori di ricerca – Scroll – Membrana – Pistone e multipistone – Grafite – Setacci molecolari – Rotativa a palette di grafite • Le pompe a secco debbono principalmente garantire la non contaminazione del sistema in vuoto

Pompa a vite -Screw pump

Screw Pumps - Generalità

• • • Principio ben utilizzato per i compressori, adattato per il vuoto.

Il meccanismo pompante è costituito da due viti senza fine, a passo costante, che ruotano sincrone con piccole tolleranze. Il gas pompato muove assialmente sospinto dal moto spiraleggiante della vite verso lo scarico. Le viti agiscono come una tenuta dinamica e tutto il pompaggio avviene nell’ultimo quarto di giro.

• Originalmente sono state sviluppate per il pompaggio di gas radioattivi, poi per l’industria chimica (tolleranza al pompaggio di vapori e di liquidi) ed infine per applicazioni nei semiconduttori.

• Può essere orizzontale o verticale dipende dal costruttore e dal settore merceologico a cui si rivolge.

• Il vuoto finale è dato dal numero di eliche nella vite e dalle tolleranze tra le eliche e lo statore. Vuoto ultimo misurato con Pirani : 0,001 mbar

Meccanismo a vite orizzontale

Screw pump- Pompa a vite

Pompa a vite orizzontale

Pompa a vite verticale

Pompe a VITE : Caratteristiche positive

• Buon vuoto finale ed elevate portate • Costruzione apparentemente semplice • Facile da smontare • Ottimo smaltimento di liquidi • Possibilità di flussare i solventi durante il pompaggio • Elevato rapporto di compressione • Mancanza di zone di intrappolamento per il gas o per le polveri trascinate nel pompaggio • Il flusso nella pompa è diretto • La pompa non richiede condensatori di interstadio • Possibilità di riscaldare uniformemente lo statore prevenendo la condensazione

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Pompe a VITE : Limiti

Non vi è compressione del gas se non nella elica che è connessa allo scarico. Il volume è costante lungo l’asse di pompaggio e non vi sono stadi di compressione Il gas subisce una grande quantità di lavoro con conseguente consumo di energia Lavora molto calda sullo scarico, la temperatura può superare i 300 gradi in una zona limitata vicino allo scarico Le viti vanno cambiate a coppia e sono molto complicate da produrre I rotori sono molto cari anche per il coating protettivo usato come letto “sacrificale”.

Nel tempo il valore del vuoto finale peggiora con il diminuire del coating (può arrivare anche ad 1 decade) Le polveri contribuiscono alla rovina del coating per abrasione fra i rotori in un moto circolare.

Il volume costante attraverso il meccanismo significa che un volume grande di gas viene ricompresso allo scarico.Maggiore è la ricompressione maggiore è il consumo di energia (anche vicino alla pressione finale) e più alta è la temperatura che può arrivare ai 300 o C.

Il raffreddamento di una pompa a vite è vitale soprattutto vicino allo scarico, vicino ai cuscinetti ed all’olio per rimuovere il calore in eccesso.

Molti gas e materiali di processo possono polimerizzare alle temperature elevate.

Le elevate temperature possono ridurre le vita dei componenti

Pompa a vite

Il contatto è evidente in questo punto sullo scarico atmosferico

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La tolleranza ed il numero di spire è cruciale per determinare il vuoto finale.

La portata è determinata dal volume del gas intrappolato tra le spire.

SCREW

Curve tipiche della pompa a vite

400 350 300 250 200 150 100 50 0 0,001 0,01

C400 @ 60Hz KDP 400 @ 60Hz

0,1 1 Pressure (mbar) 10 100 1000

Considerazioni sui meccanismi a vite

Valore



La Ri_ compres sione del gas richiede molta potenza TEMPERATURA PRESSIONE

 I picchi di temperatura e pressione possono causare reazione nei gas pompati  Bisogna utilizzare molta acqua & N2 per contenere i picchi di temperatura  I solidi possono condensare sulle superfici fredde

Posizione

Considerazioni sui meccanismi a vite



Suscettibile ai fenomeni di exhaust backpressure; possono esserci problemi nell’accoppiamento con tecnologie di abbattimento vapori

 Richiedono cuscinetti in alto vuoto in alcuni modelli  I rotori vengono forzati ed abrasi dai depositi: alcuni costruttori prevedono la pulizia col vapore dopo i pompaggi  5 oil seals in alcuni modelli

Pompa a lobi rotanti -Roots Pump

Pompa Roots

• Pompa a trasferimento di gas che utilizza due o più lobi rotanti sincronizzati per muovere il gas. • Vuoto ultimo misurato con Pirani : 0,0001 mbar • Oil free. Utilizzata normalmente per aumentare il vuoto finale e la portata della pompa di prevuoto.

• Speed range 250 30.000 m 3 /h

Roots

Meccanismo Roots Trilobato

Roots pump

VANTAGGI

• Alto rapporto di compressione volumetrico alle basse pressioni • Meccanismo molto conosciuto

SVANTAGGI

• Richiede pompa preliminare (più stadi di pompaggio) • Compressione bassa alle alte pressioni • Dilatazione eccessiva (forte raffreddamento)

Pompa Booster

• Il meccanismo roots è un dispositivo senza valvole dove una coppia di rotori a lobi, interconnessi e sincronizzati, ruotano in direzione opposte con un minimo gioco l’uno rispetto all’altro e rispetto alle pareti dello statore. • Il gas è intrappolato all’ingresso di ogni lobo ed incanalato verso l’uscita lungo le pareti dello statore.

• Rimuove grandi volumi di gas ma non è un vero compressore • La sua efficienza è al massimo tra 1 e 10 -2 mbar

Problemi di retroespansione del gas

• Il meccanismo Roots non è adatto per scaricare ad alta pressione con un alto rapporto di compressione. Una tale operazione comporta un grande lavoro da fare sul gas e comporta problemi di riscaldamento che possono portare al blocco del meccanismo stesso.

50 40 30 20 10

Rapporto di compressione

10 -3 10 -2 10 -1 10 0 10 1 Inlet pressure (mbar)

 

la pompa booster opera solo in combinazione con altri meccanismi pompanti è un meccanismo a volume costante pressione variabile



opera su un relativamente piccolo rapporto di compressione 10 2 10 3

Meccanismo a dente - Claw Mechanism

Meccanismo a Claw singolo

VANTAGGI • Autovalvolante • Buona compressione all’atmosfera con poco calore generato • Capacità di pompare vapori e polveri • Compattezza • Facilità di diluizione del gas pompato con ballast SVANTAGGI • Il vuoto finale di uno stadio è di un centinaio di millibar • Vi è una zona di rientro gas pompato che se riempito di liquido potrebbe bloccare la pompa • Necessità di gas per la pulizia delle tenute • Poca compressione alle basse pressioni

Claw Compression Ratio

Inlet pressure (mbar)

Claw mechanism

50 40 30 20 10 Claw mechanism 10 -3 Roots mechanism 10 -2 10 -1 10 0 10 1 Outlet pressure (mbar) 10 2 10 3

Claw Mechanism

Meccanismi a stadi multipli

• Meccanismi roots multistadi • Dente a claw • Meccanismi multi-claw • Multistadi claw invertiti • Multistadi claw invertiti con stadi roots

Meccanismi roots multistadio

Meccanismo a tre stadi con valvole interne

Tre stadi con cinghie Compressione povera Valvole di interstadio Manutenzione complessa Raffreddamento motore forzato Disponibile solo per pompaggi molto puliti Minima capacità di pompaggio liquidi No explosion testing Inadatta agli attacchi chimici Quasi scomparsa dal mercato

Tre stadi roots con condensatori d’interstadio • Compressione inefficiente • Eccessiva generazione di calore • Essenziale l’Interstage cooling • Rischi elevati di : – Cooler blockage – Condensation – Chemical attack

La pompa sostituisce una doppio stadio ad olio Questo meccanismo a 6 stadi permette di raggiungere 10-2 mbar.

I primi 3 meccanismi bilobati non hanno scambiatori di calore di interstadio, mentre il secondo gruppo di 3 rotori trilobati li prevede.

I lobi sono montati su una coppia di assi diversi tra loro poiché un asse troppo lungo potrebbe flettere sotto carico e bloccare il meccanismo

Osservazioni generali sui tre stadi Roots

• Si genera eccessivo calore • I condensatori di interstadio sono essenziali • Probabile punto di blocco senza meccanismi di sblocco • Condensazione con probabile attacco chimico • Scarsa capacità di ingerire liquidi • 3 stadi • Spesso motore a cinghia • Compressione povera • Valvole di interstadio • Manutenzione continua nei processi pesanti • Motore adeguato • Consigliata per le applicazioni ‘clean’

Two Stage Claw Mechanism

• Due stadi di compressione • Alti rapporti di compressione • Eccessiva produzione di calore • Condensatore di interstadio • Condensazione • Corrosione • Rischio di blocco idraulico • Nessun meccanismo di sblocco

Three-stage Reversed Claw Pump

INGRESSO CLAWS INVERTITI SCARICO

Three-stage Reversed Claw Pump

…Gas Flow Path

Alcuni vantaggi del design con lobi invertiti Non vi è una riduzione della temperatura del gas tra gli interstadi le eventuali Polveri sono pompate attraverso la pompa

Multi stage inverted claw

Vantaggi

Svantaggi • Il cammino del gas è minimizzato (compattezza) prevenendo la condensazione e l’accumulo di particolato Eccellente pompaggio di polveri, solventi condensabili.

• Il vuoto finale non cambia anche se uno stadio viene corroso da polvere o vapore • Maccanismo autovalvolante con distribuzione continua della temperatura di compressione • La pompa viene “vestita “ in funzione del processo data la facilità di diluizione del gas pompato con ballast • Vuoto ultimo misurato con Pirani : 0,001 mbar • Il vuoto finale è appena inferiore a 0.1 millibar • Vi è una zona di rientro gas pompato che se riempito di liquido potrebbe bloccare la pompa • Necessità di gas per la pulizia delle tenute

1 5 6 7 8 10 2 9 3 4

3-stage Claw

1 Inlet flange 2 Upper bearing in removable cartridge 3 Integral water cooling 4 Heat exchanger for cooling water circuit 5 Three stage claw mechanism 6 Reversed claws for shortest gas path 7 Blow-off valve for low power consumption 8 Outlet flange 9 Gear box 10 Clutch assembly

Multi stage claw

• Come nei dispositivi “all-roots” tutti gli stadi claw (4 in questa figura) sono sullo stesso albero • • Se si segue l’andamento del gas si vede che l’uscita da uno stadio e l’entrata nello stadio successivo non coincidono e quindi è richiesto un grande cammino per il gas nella pompa stessa.

Se il cammino è troppo lungo la velocità del gas può diminuire, la sua temperatura ridursi fino ad avere condense localizzate o depositi di particolato. Questo può creare problemi alla pompa ed aumentare i costi di manutenzione

Claw with Roots

Vantaggi

• Oltre ai vantaggi precedenti utilizza le prestazioni ottimali della roots operante a pressioni inferiori di 1 mbar • Aumento del vuoto finale

Svantaggi

• Velocità ridotta alla pressione atmosferica • Vi è una zona di rientro gas pompato che se riempito di liquido potrebbe bloccare la pompa • Necessità di gas per la pulizia delle tenute

Rapporti di compressione

50 40 30 20 10 Claw mechanism Roots mechanism 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 10 1 Outlet pressure (mbar) 10 2 10 3

Roots-claw pump mechanism

• Claw invertita più roots • Edwards patent

Roots - Claw Mechanism Flangia di accoppiamento Tenute Ingranaggi Scarico 5th 4th 3rd 2nd 1st Cuscinetti Ingresso Canned Motor Roots multi lobi Acqua di raffreddamento Claws & Roots

GV(M) Cutaway

next generation chemical dry pump

THE BRIGHTEST STAR DRYSTAR CDX 850 – THE NEXT GENERATION

...available in 2002

Zavorra d’azoto

La zavorra d’azoto usata in molti meccanismi a secco ha le seguenti funzioni: • Gas ballast – previene la condensazione di vapori chimici nella pompa • Purge – mantiene la velocità del gas • Tenuta dinamica di sicurezza sulle guarnizioni dell’albero motore – mantiene pulite le guarnizioni e garantisce la ermeticità dell’accoppiamento – segnala anomalie • Diluizione gas – tossici,corrosivi,piroforici ed ossidanti

Obiettivi ed innovazioni per le nuove generazioni di pompe a secco industriali

Capacità di lavorare molto calde Aumentare la capacità di pompare polveri Non avere cuscinetti in vuoto Ridurre la Potenza Non necessitare di gas di tenuta sull’albero Ridurre od eliminare acqua di raffreddamento Ridurre il “footprint

”

Principi delle Dry Pump Technologies

• Nell’industria: – Lobi tipo Roots e multiroots – Vite – Claw e multiclaw e combinazioni – Palette di grafite • Le pompe a secco debbono garantire che potenziali contaminazioni passino attraverso i meccanismi.

• •

Nei laboratori di ricerca

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Scroll Membrana Pistone e multipistone Grafite Setacci molecolari Rotativa a palette di grafite Le pompe a secco debbono principalmente garantire la non contaminazione del sistema in vuoto

Pompa a membrana

• Pompa a trasferimento di gas che utilizza il moto oscillante di un diaframma per muovere il gas. • Vuoto ultimo misurato con Piezoresistivo nei modelli a più stadi : 1 mbar • Pompa oil free. Resiste a molti processi chimici di laboratorio

Meccanismo a pistone multiplo

Pompa scroll

• Pompa a trasferimento di gas che utilizza il moto rototraslatorio di una chiocciola di profilo particolare per muovere il gas • Vuoto ultimo misurato con Pirani : 0,01 mbar • Applicazioni Oil free. • Hanno una capacità limitata nel pompare vapori o gas chimici dato che non sopportano liquidi • Non sono adatte ad utilizzi industriali eccetto per le “load lock”.

Principio delle pompe Scroll

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Il meccanismo scroll intrappola tasche di gas e le trasferisce continuamente verso il centro della chiocciola fissa.

Ogni chiocciola ha 5 orbite per trasferire e comprimere il gas prima che raggiunga lo scarico La pressione ultima è di circa 10 -2 mbar.

Quindi il valore di vuoto è simile a quello di una pompa rotativa a bagno d’olio doppio stadio.

GAS

Principio di funzionamento

OUTLET INLET FIXED SCROLL 7 6 1 2 3 5 4 ORBITING SCROLL Movement of gas in a scroll mechanism

Scroll pump

Orbita Scroll fissa Scroll Orbita Front side mobile Scroll Fronte fisso Retro dell’orbita mobile Scroll Divisore

Seconda generazione Scroll Pumps

• Piccole portate • Pompaggio “chimico” • Minimo consumo energetico • Manutenzione semplice

Pompa ad assorbimento 1

• Pompa a cattura, statica, che utilizza materiale adsorbente ad alta superficie raffreddato in un bagno di azoto liquido. • I gas sono fisicamente assorbiti sulla superficie di stracci molecolari od altri materiali porosi • Vuoto tipico (funzione del volume da vuotare): 10 -2 mbar • Applicazioni: Oil free. Pompaggio preliminare a pompe tipo ion getter.

• Effetti di saturazione, portata decrescente nel tempo • Effetti di pompaggio selettivo dei gas; pompa poco H 2 o gas nobili

Pompa ad assorbimento 2

• Tipicamente è un contenitore in alluminio od in acciaio inossidabile con alette per il trasferimento del calore immerso in un bagno di azoto liquido, riempito dio materiale adsorbente • Il materiale tipico sono le zeolite come la Zeolite 13X-allumino silicato alcalino (in pellets di 5-8 mm per 3 di diametro) o più raramente il carbone attivo • Le porosità consigliate dei setacci molecolari sono di 0,4 nm (diametro molecolare N 2 =0,32 nm e O 2 =0,29 nm); il rapporto superficie interna peso è tipicamente 550m 2 /g e le cariche vanno da 300 a 1200 g.

• es. la 13X ha una superficie di 13 m 2 /g, diametro pori 13A, 5 10 18 molecole assorbite per ogni mm 2, che per N 2 od 0,2 mbar*l.

corrispondono a 2*10 -4 g • In un sistema da 15 l di volume con aria “pulita” si raggiungono da 0,02 a 0,04 mbar con una carica di 300 g.

• L’utilizzo di due sistemi in serie permette di raggiungere qualche 10 -4 mbar

Pompa ad assorbimento 3

IPX

La pompa IPX è una pompa primaria sviluppata per il mercato dei semiconduttori • Motore e meccanismi pompanti integrati in un unico albero ad elevata velocità • Meccanismo di pompaggio combinato tra: – Uno o più stadi drag a bassa pressione Holweck – Multistadi fluidodinamici per l’alta pressione • Scarico alla pressione atmosferica e pressioni da 10-2 a 10-5 mbar .

Drag Statore

IPX Drag Holweck

Stadio single drag Holweck Cilindro stazionario Inlet Outlet Drag Rotore Canale ad elica Cilindro rotante • Cilindro rotante con scanalatura ad elica stazionaria • o Rotore con scanalatura ad elica rotante e cilindro • stazionario Opera nei regimi molecolare e di Knudsen

IPX Meccanismo Fluidodinamico

FD Rotore Uscita Ingresso Stadio singolo FD FD Statore A Rotore Sezione A-A del canale A Lama Canale del flusso Cammino del gas Tipico cammino delle molecole di Statore gas • Le lame, aerodinamicamente sagomate allo scopo, ruotano ad elevata velocità causando delle spirali vorticose di flusso nei canali • Servono multistadi per raggiungere la necessaria compressione • Normalmente opera in regime viscoso

IPX - Cross Section

Vacuum Inlet Low Pressure Drag Stages Inlet Strainer High Pressure Fluid Dynamic Stages Exhaust Drive Motor Water Inlet Oil Filter Seals Water Outlet Upper Bearing EMC Filter Pack Lower Bearing Oil Pump

IPX100 IPX180 IPX500

IPX Stadi e Vuoto

2 Stadi convenzionali Drag 100 m 3 /hr 5 x 10 -3 mbar 3 Stadi convenzionali Drag 1 Rotore ad elica più 4 stadi convenzionali Drag 180 m 3 /hr 1 x 10 -4 mbar 500 m 3 /hr 1 x 10 -6 mbar

IPX100 Speed curve 1000 100 10 1 0.1

0.001

0.01

0.1

1 10

Pressure (mbar)

100 1000

IPX Speed Curves

600 500

IPX500

400 300 200

IPX180

100

IPX100

0 1.E-07 1.E-06 1.E-05 1.E-04 1.E-03 1.E-02 1.E-01

Pressure (Torr)

1.E+00 1.E+01 1.E+02 1.E+03

IPX500 gas speed curves

Speed Curves for Gas Species IPX 500 600 500 400 300 200

Argon new Nitrogen (new) Helium (3 SLPM N2) Hydrogen (3 SLPM N2)

100 0 1.00E-06 1.00E-05 1.00E-04 1.00E-03 1.00E-02 1.00E-01 Pressure mbar 1.00E+00 1.00E+01 1.00E+02 1.00E+03

IPX

• Compatta • Pulita (non ci sono cuscinetti in vuoto) • Elevata affidabilità/minima manutenzione – meccanismi non a contatto – nessuna usura (non genera particolati) • Vibrazioni ridottissime • Rumore non eccessivo • Bassi consumi