Caratteristiche e tipologie di flange da vuoto

I singoli componenti di un sistema in vuoto (camere da vuoto, pompe, valvole, strumenti di misura, ...) possono essere connessi gli uni agli altri direttamente, attraverso parti di tu-bazioni o con elementi flessibili. Le interfacce smontabili tra i componenti devono essere a prova di vuoto. In generale, comunque, nella progettazione di un sistema da vuoto dovreb-bero essere limitate, per quanto possibile, le giunzioni rimovibili perch´e sono all’origine di potenziali perdite molto pi`u frequentemente di quelle non rimovibili (principalmente saldatura e brasatura). Gli elementi delle flange sono comunemente realizzati in acciaio, acciaio inox o alluminio. Per realizzare giunzioni flessibili sono preferibili tubi metallici in acciaio inox rispetto a gomme o plastiche spesse.

Il tipo di connessione dipende dal grado di vuoto⁷ che deve essere raggiunto e dalle

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Convenzionalmente si definiscono diversi gradi di vuoto, ciascuno utilizzato in differenti applicazioni pratiche. Per ottenere, mantenere e misurare ciascuno di essi in generale sono necessari diversi sistemi di pompaggio e materiali per la costruzione delle camere da vuoto. Si possono definire i seguenti gradi di vuoto [29]:

dimensioni degli elementi da collegare. Si riportano alcuni esempi, tratti da [28], a titolo esemplificativo:

ˆ Dal basso all’alto vuoto, le flange ISO-KF coprono l’intervallo di dimensioni con diametro nominale da DN10 a DN50 mentre sono utilizzate flange ISO-K e ISO-F per diametri nominali maggiori, da DN63 a DN1000;

ˆ Per il vuoto ultra alto, le flange CF coprono l’intervallo di dimensioni con diametro nominale da DN16 a DN400 mentre sono utilizzate flange COF per diametri nominali maggiori, da DN400 a DN800.

Quando si uniscono due componenti con un collegamento smontabile devono essere utilizzate delle guarnizioni per prevenire le infiltrazioni dell’aria esterna nell’ambiente in vuoto. Ne esistono di diverse tipologie, in relazione alla pressione di lavoro e alla specifica applicazione. Le guarnizioni che vengono utilizzate pi`u di frequente sono gli O-ring<sup>8</sup>, disponibili in diversi materiali (generalmente elastomeri caratterizzati da una durezza nel range 65-80 Shore A<sup>9</sup>). Gli O-ring, oltre ad essere impiegati in combinazione con anelli di centraggio o rondelle sigillanti, possono essere inseriti in apposite scanalature assiali o radiali. Nella maggior parte dei casi, infatti, gli O-ring sono posizionati nelle scanalature e pressati tra le flange, di cui una contiene la scanalatura e l’altra `e generalmente piatta. Tali scanalature devono essere dimensionate molto attentamente e non esistono delle dimensioni universalmente accettate che le definiscano [28].

Con riferimento all’applicazione in esame, le tenute da vuoto devono possedere ottima resistenza agli ambienti radioattivi, caratteristica che di fatto esclude ogni soluzione nei comuni materiali plastici e porta a preferire quelli metallici (alluminio e rame principal-mente). Questa specifica molto spesso si traduce in una restrizione nella scelta del tipo connessione che deve poter alloggiare tali tenute.

Si riporta di seguito una breve classificazione delle pi`u comuni tipologie di connessioni rimovibili con flange per le applicazioni in vuoto [28]:

ˆ Flange ISO-KF. Con diametro nominale compreso tra DN10 e DN50, sono adatte per pressioni fino a 1 · 10⁻⁸ hPa (potendo essere usate con sovrappressioni fino a ˆ Vuoto basso (Rough vacuum, RV): 1 · 105

P a − 1 · 10² P a; ˆ Vuoto medio (Medium vacuum, MV): 1 · 102 P a − 1 · 10⁻¹P a; ˆ Vuoto alto (High vacuum, HV): 1 · 10−1

P a − 1 · 10⁻⁵P a; ˆ Vuoto ultra alto (Ultra High vacuum, UHV): 1 · 10−5

P a − 1 · 10⁻⁹ P a; ˆ Vuoto estremamente alto (Extremely high vacuum, EHV): < 1 · 10−9

P a.

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Un O-ring `e un anello di elastomero a sezione circolare usato come guarnizione meccanica o sigillo. Gli O-ring sono progettati per essere inseriti in appositi alloggiamenti ed essere compressi durante l’assemblag-gio di due o pi`u parti, creando cos`ı una guarnizione di tenuta. Essi sono utilizzati molto frequentemente, sia per i loro costi limitati sia per la capacit`a di resistere a pressioni di decine di MPa [29]

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La scala Shore `e tipicamente utilizzata per misurare la durezza degli elastomeri e di certi polimeri termoplastici. Attraverso un durometro Shore si determina la profondit`a di sfondamento di un penetratore normalizzato mediante semplice applicazione sul campione. I tipi pi`u comuni di penetratore sono Shore A e Shore D; l’unit`a Shore A, in particolare, `e utilizzata per misurare la malleabilit`a degli elastomeri teneri (maggiore `e il grado di durezza Shore, minore risulta la deformazione con la stessa forza applicata). Ad ogni penetratore corrisponde una particolare scala di durezza.

1,500 hPa). Con guarnizioni metalliche possono arrivare fino a 1 · 10⁻⁹ hPa ma la pressione di contatto notevolmente maggiore per le tenute metalliche richiede l’utilizzo di speciali morsetti. Una connessione ISO-KF, rappresentata in figura

3.17, consiste in due flange simmetriche e un O-ring, posizionato e supportato con un anello di centraggio (interno o esterno). La pressione di contatto necessaria a garantire la tenuta `e generata da un morsetto ad anello (clamping ring) posizionato sulla parte conica delle flange e serrato con una vite “a galletto”. Ci`o consente un montaggio ed uno smontaggio rapidi ed efficienti, senza l’utilizzo di alcun attrezzo particolare.

Fig. 3.17: Connessione ISO-KF con anello di centraggio e morsetto ad anello a sinistra. Flangia ISO-KF montata su una lastra di base con anello di centraggio e morsetto a pinza [28].

ˆ Flange ISO-K e ISO-F. Le prime vanno da DN10 a DN630 e sfruttano morsetti; le seconde arrivano a DN1000 ed utilizzano viti. Sono adatte per pressioni fino a 1·10⁻⁸ hPa (potendo essere usate con sovrappressioni fino a 1,500 hPa). Con guarnizioni metalliche il range di utilizzo pu`o essere esteso a pressioni inferiori a 1 · 10<sup>−9</sup> hPa ma sono richieste pressioni di contatto notevolmente pi`u alte, cosa che si pu`o ottenere con le viti o incrementando il numero dei morsetti. Le connessioni ISO-K e ISO-F, rappresentate in figura 3.18, consistono in due flange simmetriche e un O-ring, che `e posizionato e supportato con un anello di centraggio. La pressione di contatto richiesta dalla tenuta `e realizzata con un doppio morsetto o con viti.

ˆ Flange CF. Con diametro nominale compreso tra DN10 e DN400, sono disponibili anche in numerose varianti non standard fornite dai costruttori di materiale da vuoto. Le flange CF, inizialmente progettate per applicazioni UHV, possono lavorare fino a 450°C e sono adatte per pressioni inferiori a 1·10−12hPa. Le flange CF, rappresentate in figura3.19, sono fatte quasi interamente in acciaio inox, generalmente con un basso contenuto di carbonio. Esse consistono in due flange simmetriche a spigoli vivi con una guarnizione metallica piatta, che `e centrata in una scanalatura poco profonda e un numero sufficiente di viti.

Fig. 3.18: Connessione ISO-K con anello di centraggio e doppio morsetto a vite a sinistra. Connessione ISO-F con anello di centraggio e viti a destra [28].

Fig. 3.19: Connessione CF con guarnizione piatta in rame e utilizzo di viti [28]. ˆ Flange COF. Sono utilizzate per grandi diametri nominali in applicazioni UHV fino

a 1 · 10⁻¹² hPa. Le loro dimensioni non sono standardizzate perci`o possono variare da costruttore a costruttore; il materiale, invece, `e solitamente acciaio inox con basso contenuto di carbonio. Una connessione COF, rappresentata in figura 3.20, consiste in un paio di flange diverse, con profili “maschio” e “femmina”, una guarnizione a filo e un numero sufficiente di viti, che forniscono l’alta pressione di contatto richiesta. Le soluzioni presentate sfruttano in modo pi`u o meno marcato il serraggio tramite vite. Tenendo in considerazione le esigenze citate ad inizio paragrafo, `e immediato capire che l’insieme delle azioni necessarie al serraggio di una vite, specie quando `e richiesta l’ag-giunta di rondelle o dadi, non `e n´e veloce n´e particolarmente sicuro, essendoci il rischio, per l’operatore addetto alla manutenzione, di perdere un pezzo o di effettuare una pro-cedura sbagliata, nella fretta e nell’agitazione date dalla consapevolezza di trovarsi in un ambiente pericoloso per la salute. Chiaramente la criticit`a di queste operazioni aumenta all’aumentare del numero di viti da serrare: ad esempio le flange CF sono decisamente pi`u problematiche delle ISO-K. In quest’ottica la soluzione migliore sarebbe rappresentata dalla tipologia ISO-KF (una sola vite, peraltro avvitabile a mano senza alcun attrezzo

spe-Fig. 3.20: Connessione COF con guarnizione a filo in rame e utilizzo di viti [28].

cifico) se non fosse per le dimensioni troppo limitate delle flange che `e possibile collegare con tale metodo (al pi`u DN50). Infatti, nella crociera utilizzata per le box di diagno-stica, riportata in figura fig:crociera, le flange vengono fissate ai quattro tubi disposti radialmente, di dimensioni corrispondenti a DN160.

Fig. 3.21: Crociera utilizzata nelle due box di diagnostica per il Front-End del Progetto SPES.

Vista l’impossibilit`a di soddisfare appieno le specifiche imposte da parte delle soluzioni precedenti, si `e reso necessario approfondire la ricerca per trovare delle valide alternative. Delle proposte interessanti sono state trovate nel catalogo di un’azienda svizzara di nome EVAC, specializzata da oltre 30 anni nell’offrire soluzioni di connessione avanzate per applicazioni critiche che spaziano dall’UHV alle alte pressioni.