Bomba de vacío

Una bomba de vacío o bomba aspiradora es un dispositivo que extrae moléculas de gas de un volumen sellado para dejar un vacío parcial. El trabajo de una bomba de vacío es generar un vacío relativo dentro de una capacidad. La primera bomba de vacío fue inventada en 1650 por Otto von Guericke, y fue precedida por la bomba de succión, que data de la antigüedad.

Historia

Bombas tempranas

El predecesor de la bomba de vacío fue la bomba de succión. Se encontraron bombas de succión de doble acción en la ciudad de Pompeya. El ingeniero árabe Al-Jazari describió más tarde las bombas de succión de doble acción como parte de las máquinas elevadoras de agua en el siglo XIII. También dijo que se utilizó una bomba de succión en sifones para descargar el fuego griego. La bomba de succión apareció más tarde en la Europa medieval a partir del siglo XV.

En el siglo XVII, los diseños de bombas de agua habían mejorado hasta el punto de que producían vacíos medibles, pero esto no se entendió de inmediato. Lo que se sabía era que las bombas de succión no podían sacar agua más allá de cierta altura: 18 yardas florentinas según una medida tomada alrededor de 1635, o unos 34 pies (10 m). Este límite fue motivo de preocupación en los proyectos de riego, drenaje de minas y fuentes de agua decorativas planificadas por el duque de Toscana, por lo que el duque encargó a Galileo Galilei que investigara el problema. Galileo sugiere incorrectamente en sus Dos nuevas ciencias (1638) que la columna de una bomba de agua se romperá por su propio peso cuando el agua se haya elevado a 34 pies.Otros científicos aceptaron el desafío, incluido Gasparo Berti, quien lo replicó al construir el primer barómetro de agua en Roma en 1639. El barómetro de Berti produjo un vacío sobre la columna de agua, pero no pudo explicarlo. El estudiante de Galileo, Evangelista Torricelli, hizo un gran avance en 1643. Sobre la base de las notas de Galileo, construyó el primer barómetro de mercurio y escribió un argumento convincente de que el espacio en la parte superior era un vacío. La altura de la columna se limitó entonces al peso máximo que la presión atmosférica podía soportar; esta es la altura límite de una bomba de succión.

En 1650, Otto von Guericke inventó la primera bomba de vacío. Cuatro años más tarde, llevó a cabo su famoso experimento de los hemisferios de Magdeburg, demostrando que las yuntas de caballos no podían separar dos hemisferios de los que se había evacuado el aire. Robert Boyle mejoró el diseño de Guericke y realizó experimentos sobre las propiedades del vacío. Robert Hooke también ayudó a Boyle a producir una bomba de aire que ayudó a producir el vacío.

En 1709, Francis Hauksbee mejoró aún más el diseño con su bomba de dos cilindros, donde dos pistones funcionaban a través de un diseño de piñón y cremallera que, según se informa, "producía un vacío de aproximadamente una pulgada de mercurio de perfecto". Este diseño siguió siendo popular y solo cambió ligeramente hasta bien entrado el siglo XIX.

Siglo 19

Heinrich Geissler inventó la bomba de desplazamiento de mercurio en 1855 y logró un vacío récord de aproximadamente 10 Pa (0,1 Torr). Una serie de propiedades eléctricas se vuelven observables en este nivel de vacío y este renovado interés en el vacío. Esto, a su vez, condujo al desarrollo del tubo de vacío. La bomba Sprengel fue un productor de vacío ampliamente utilizado en esta época.

Siglo 20

El siglo XX vio la invención de muchos tipos de bombas de vacío, incluida la bomba de arrastre molecular, la bomba de difusión y la bomba turbomolecular.

Tipos

Las bombas se pueden clasificar en términos generales de acuerdo con tres técnicas: desplazamiento positivo, transferencia de impulso y atrapamiento. Las bombas de desplazamiento positivo utilizan un mecanismo para expandir repetidamente una cavidad, permitir que los gases fluyan desde la cámara, sellar la cavidad y expulsarla a la atmósfera. Las bombas de transferencia de impulso, también llamadas bombas moleculares, usan chorros de fluido denso de alta velocidad o paletas giratorias de alta velocidad para expulsar las moléculas de gas de la cámara. Las bombas de atrapamiento capturan gases en estado sólido o adsorbido; esto incluye criobombas, captadores y bombas iónicas.

Las bombas de desplazamiento positivo son las más efectivas para vacíos bajos. Las bombas de transferencia de impulso, junto con una o dos bombas de desplazamiento positivo, son la configuración más común utilizada para lograr altos vacíos. En esta configuración, la bomba de desplazamiento positivo tiene dos propósitos. Primero, obtiene un vacío aproximado en el recipiente que se está evacuando antes de que la bomba de transferencia de impulso pueda usarse para obtener el alto vacío, ya que las bombas de transferencia de impulso no pueden comenzar a bombear a presiones atmosféricas. En segundo lugar, la bomba de desplazamiento positivo respalda a la bomba de transferencia de cantidad de movimiento evacuando a bajo vacío la acumulación de moléculas desplazadas en la bomba de alto vacío. Se pueden agregar bombas de atrapamiento para alcanzar vacíos ultra altos, pero requieren una regeneración periódica de las superficies que atrapan las moléculas de aire o los iones. Debido a este requisito, su tiempo operativo disponible puede ser inaceptablemente corto en vacío alto y bajo, limitando así su uso a vacío ultraalto. Las bombas también difieren en detalles como tolerancias de fabricación, material de sellado, presión, flujo, admisión o no admisión de vapor de aceite, intervalos de servicio, confiabilidad, tolerancia al polvo, tolerancia a productos químicos, tolerancia a líquidos y vibración.

Bomba de desplazamiento positivo

Se puede generar un vacío parcial aumentando el volumen de un recipiente. Para continuar evacuando una cámara indefinidamente sin requerir un crecimiento infinito, un compartimiento del vacío se puede cerrar, agotar y expandir nuevamente repetidamente. Este es el principio detrás de una bomba de desplazamiento positivo, por ejemplo, la bomba de agua manual. Dentro de la bomba, un mecanismo expande una pequeña cavidad sellada para reducir su presión por debajo de la de la atmósfera. Debido a la diferencia de presión, parte del fluido de la cámara (o del pozo, en nuestro ejemplo) se introduce en la pequeña cavidad de la bomba. Luego, la cavidad de la bomba se sella de la cámara, se abre a la atmósfera y se vuelve a apretar a un tamaño diminuto.

Se utilizan sistemas más sofisticados para la mayoría de las aplicaciones industriales, pero el principio básico de la eliminación cíclica de volumen es el mismo:

• Bomba rotativa de paletas, la más común
• Bomba de diafragma, cero contaminación de aceite
• Anillo líquido de alta resistencia al polvo
• Bomba de pistón, vacío fluctuante
• Bomba scroll, bomba seca de máxima velocidad
• Bomba de tornillo (10 Pa)
• Bomba Wankel
• Bomba de paletas externa
• El soplador Roots, también llamado bomba de refuerzo, tiene velocidades de bombeo más altas pero una relación de compresión baja
• Bomba Roots multietapa que combina varias etapas proporcionando una alta velocidad de bombeo con una mejor relación de compresión
• bomba toepler
• bomba lobular

La presión base de un sistema de bomba de pistón sellada con goma y plástico suele ser de 1 a 50 kPa, mientras que una bomba de espiral puede alcanzar los 10 Pa (cuando es nueva) y una bomba de aceite de paletas rotativas con una cámara metálica limpia y vacía puede alcanzar fácilmente 0,1 Pensilvania.

Una bomba de vacío de desplazamiento positivo mueve el mismo volumen de gas en cada ciclo, por lo que su velocidad de bombeo es constante a menos que sea superada por la corriente inversa.

Bomba de transferencia de impulso

En una bomba de transferencia de cantidad de movimiento (o bomba cinética), las moléculas de gas se aceleran desde el lado de vacío hasta el lado de escape (que generalmente se mantiene a una presión reducida mediante una bomba de desplazamiento positivo). El bombeo de transferencia de impulso solo es posible por debajo de presiones de alrededor de 0,1 kPa. La materia fluye de manera diferente a diferentes presiones según las leyes de la dinámica de fluidos. A presión atmosférica y vacío moderado, las moléculas interactúan entre sí y empujan a las moléculas vecinas en lo que se conoce como flujo viscoso. Cuando aumenta la distancia entre las moléculas, las moléculas interactúan con las paredes de la cámara más a menudo que con las otras moléculas, y el bombeo molecular se vuelve más eficaz que el bombeo de desplazamiento positivo. Este régimen se denomina generalmente alto vacío.

Las bombas moleculares barren un área más grande que las bombas mecánicas y lo hacen con mayor frecuencia, lo que las hace capaces de alcanzar velocidades de bombeo mucho más altas. Lo hacen a expensas del sello entre el vacío y su escape. Dado que no hay sello, una pequeña presión en el escape puede causar fácilmente un flujo inverso a través de la bomba; esto se llama estancamiento. En alto vacío, sin embargo, los gradientes de presión tienen poco efecto sobre los flujos de fluidos y las bombas moleculares pueden alcanzar su máximo potencial.

Los dos tipos principales de bombas moleculares son la bomba de difusión y la bomba turbomolecular. Ambos tipos de bombas expulsan moléculas de gas que se difunden en la bomba impartiendo impulso a las moléculas de gas. Las bombas de difusión expulsan moléculas de gas con chorros de aceite o vapor de mercurio, mientras que las bombas turbomoleculares utilizan ventiladores de alta velocidad para empujar el gas. Ambas bombas se detendrán y dejarán de bombear si se descargan directamente a la presión atmosférica, por lo que deben descargarse a un vacío de menor grado creado por una bomba mecánica, en este caso llamada bomba de respaldo.

Al igual que con las bombas de desplazamiento positivo, la presión base se alcanzará cuando las fugas, la desgasificación y la corriente inversa igualen la velocidad de la bomba, pero ahora es mucho más difícil minimizar las fugas y la desgasificación a un nivel comparable con la corriente inversa.

Bomba de atrapamiento

Una bomba de atrapamiento puede ser una bomba criogénica, que usa temperaturas frías para condensar los gases a un estado sólido o adsorbido, una bomba química, que reacciona con los gases para producir un residuo sólido, o una bomba de iones, que usa fuertes campos eléctricos para ionizar los gases y impulsar los iones en un sustrato sólido. Un criomódulo utiliza criobombeo. Otros tipos son la bomba de sorción, la bomba getter no evaporativa y la bomba de sublimación de titanio (un tipo de getter evaporativo que se puede usar repetidamente).

Otros tipos

Bomba regenerativa

Las bombas regenerativas utilizan el comportamiento de vórtice del fluido (aire). La construcción se basa en el concepto híbrido de bomba centrífuga y turbobomba. Por lo general, consta de varios juegos de dientes perpendiculares en el rotor que circulan moléculas de aire dentro de ranuras huecas estacionarias como una bomba centrífuga multietapa. Pueden alcanzar hasta 1 × 10 mbar (0,001 Pa) (cuando se combinan con la bomba Holweck) y descargan directamente a la presión atmosférica. Ejemplos de tales bombas son Edwards EPX (documento técnico) y Pfeiffer OnTool™ Booster 150. A veces se la denomina bomba de canal lateral. Debido a la alta tasa de bombeo desde la atmósfera hasta el alto vacío y la menor contaminación, ya que se pueden instalar cojinetes en el lado de escape, este tipo de bombas se utilizan en el bloqueo de carga en los procesos de fabricación de semiconductores.

Este tipo de bomba sufre un alto consumo de energía (~1 kW) en comparación con la bomba turbomolecular (<100 W) a baja presión, ya que la mayor parte de la energía se consume para contrarrestar la presión atmosférica. Esto puede reducirse casi 10 veces si se utiliza una bomba pequeña.

Más ejemplos

Los tipos adicionales de bomba incluyen:

• Bomba de vacío Venturi (aspirador) (10 a 30 kPa)
• Eyector de vapor (el vacío depende del número de etapas, pero puede ser muy bajo)

Medidas de desempeño

La velocidad de bombeo se refiere al caudal volumétrico de una bomba en su entrada, a menudo medido en volumen por unidad de tiempo. Las bombas de atrapamiento y transferencia de momento son más efectivas con algunos gases que con otros, por lo que la tasa de bombeo puede ser diferente para cada uno de los gases que se bombean, y la tasa de flujo de volumen promedio de la bomba variará dependiendo de la composición química de los gases que quedan en la Cámara.

El rendimiento se refiere a la velocidad de bombeo multiplicada por la presión del gas en la entrada y se mide en unidades de presión·volumen/unidad de tiempo. A una temperatura constante, el rendimiento es proporcional al número de moléculas que se bombean por unidad de tiempo y, por lo tanto, al caudal másico de la bomba. Cuando se habla de una fuga en el sistema o de una corriente inversa a través de la bomba, el rendimiento se refiere a la tasa de fuga de volumen multiplicada por la presión en el lado de vacío de la fuga, por lo que el rendimiento de la fuga se puede comparar con el rendimiento de la bomba.

Las bombas de transferencia de impulso y de desplazamiento positivo tienen un caudal de volumen constante (velocidad de bombeo), pero a medida que cae la presión de la cámara, este volumen contiene cada vez menos masa. Entonces, aunque la velocidad de bombeo permanece constante, el rendimiento y la tasa de flujo másico caen exponencialmente. Mientras tanto, las tasas de fuga, evaporación, sublimación y reflujo continúan produciendo un rendimiento constante en el sistema.

Técnicas

Las bombas de vacío se combinan con cámaras y procedimientos operativos en una amplia variedad de sistemas de vacío. A veces se utilizará más de una bomba (en serie o en paralelo) en una sola aplicación. Se puede crear un vacío parcial, o vacío aproximado, utilizando una bomba de desplazamiento positivo que transporta una carga de gas desde un puerto de entrada a un puerto de salida (escape). Debido a sus limitaciones mecánicas, tales bombas solo pueden lograr un bajo vacío. Para lograr un vacío más alto, se deben usar otras técnicas, generalmente en serie (generalmente después de un bombeo inicial rápido con una bomba de desplazamiento positivo). Algunos ejemplos pueden ser el uso de una bomba de paletas rotativas selladas con aceite (la bomba de desplazamiento positivo más común) como respaldo de una bomba de difusión, o una bomba de espiral seca como respaldo de una bomba turbomolecular.

Lograr un alto vacío es difícil porque todos los materiales expuestos al vacío deben evaluarse cuidadosamente en cuanto a sus propiedades de desgasificación y presión de vapor. Por ejemplo, los aceites, grasas y juntas de goma o plástico utilizadas como sellos para la cámara de vacío no deben hervir cuando se exponen al vacío, o los gases que producen impedirían la creación del grado de vacío deseado. A menudo, todas las superficies expuestas al vacío deben hornearse a alta temperatura para eliminar los gases adsorbidos.

La desgasificación también se puede reducir simplemente mediante la desecación antes del bombeo al vacío. Los sistemas de alto vacío generalmente requieren cámaras de metal con sellos de juntas metálicas como bridas Klein o bridas ISO, en lugar de las juntas de goma más comunes en los sellos de las cámaras de bajo vacío. El sistema debe estar limpio y libre de materia orgánica para minimizar la desgasificación. Todos los materiales, sólidos o líquidos, tienen una pequeña presión de vapor y su desgasificación se vuelve importante cuando la presión de vacío cae por debajo de esta presión de vapor. Como resultado, muchos materiales que funcionan bien en vacíos bajos, como el epoxi, se convertirán en una fuente de desgasificación en vacíos más altos. Con estas precauciones estándar, se logran fácilmente vacíos de 1 mPa con una variedad de bombas moleculares. Con un diseño y una operación cuidadosos, es posible 1 µPa.

Se pueden usar varios tipos de bombas en secuencia o en paralelo. En una secuencia típica de bombeo, se usaría una bomba de desplazamiento positivo para eliminar la mayor parte del gas de una cámara, comenzando desde la atmósfera (760 Torr, 101 kPa) hasta 25 Torr (3 kPa). Luego se usaría una bomba de sorción para bajar la presión a 10 Torr (10 mPa). Se usaría una bomba criogénica o una bomba turbomolecular para reducir la presión a 10 Torr (1 µPa). Se puede iniciar una bomba de iones adicional por debajo de 10 Torr para eliminar los gases que no son manejados adecuadamente por una bomba criogénica o una bomba turbo, como el helio o el hidrógeno.

El vacío ultraalto generalmente requiere equipos hechos a la medida, procedimientos operativos estrictos y una buena cantidad de prueba y error. Los sistemas de ultra alto vacío generalmente están hechos de acero inoxidable con bridas de vacío con juntas metálicas. El sistema generalmente se hornea, preferiblemente al vacío, para elevar temporalmente la presión de vapor de todos los materiales desgasificados en el sistema y hervirlos. Si es necesario, esta desgasificación del sistema también se puede realizar a temperatura ambiente, pero esto lleva mucho más tiempo. Una vez que la mayor parte de los materiales desgasificados se evaporan y evacuan, el sistema puede enfriarse a presiones de vapor más bajas para minimizar la desgasificación residual durante la operación real. Algunos sistemas se enfrían muy por debajo de la temperatura ambiente con nitrógeno líquido para detener la desgasificación residual y, al mismo tiempo, criopombear el sistema.

En los sistemas de ultra alto vacío, se deben considerar algunas rutas de fuga muy extrañas y fuentes de desgasificación. La absorción de agua del aluminio y el paladio se convierte en una fuente inaceptable de desgasificación, e incluso debe tenerse en cuenta la capacidad de absorción de metales duros como el acero inoxidable o el titanio. Algunos aceites y grasas se evaporarán en vacíos extremos. Es posible que se deba considerar la porosidad de las paredes metálicas de la cámara de vacío, y la dirección de la fibra de las bridas metálicas debe ser paralela a la cara de la brida.

El impacto del tamaño molecular debe ser considerado. Las moléculas más pequeñas pueden filtrarse más fácilmente y ciertos materiales las absorben más fácilmente, y las bombas moleculares son menos efectivas para bombear gases con pesos moleculares más bajos. Un sistema puede evacuar nitrógeno (el componente principal del aire) al vacío deseado, pero la cámara aún podría estar llena de hidrógeno y helio atmosféricos residuales. Los recipientes revestidos con un material altamente permeable a los gases como el paladio (que es una esponja de hidrógeno de alta capacidad) crean problemas especiales de desgasificación.

Aplicaciones

Las bombas de vacío se utilizan en muchos procesos industriales y científicos, entre ellos:

• procesos de moldeo de plásticos compuestos;
• producción de la mayoría de los tipos de lámparas eléctricas, tubos de vacío y CRT donde el dispositivo se deja vacío o se vuelve a llenar con un gas específico o una mezcla de gases;
• procesamiento de semiconductores, en particular implantación de iones, grabado en seco y deposición de PVD, ALD, PECVD y CVD, etc. en fotolitografía;
• microscopio de electrones;
• procesos médicos que requieren succión;
• enriquecimiento de uranio;
• aplicaciones médicas como radioterapia, radiocirugía y radiofarmacia;
• instrumentación analítica para analizar materiales gaseosos, líquidos, sólidos, superficiales y biológicos;
• espectrómetros de masas para crear un alto vacío entre la fuente de iones y el detector;
• recubrimiento al vacío sobre vidrio, metal y plásticos para decoración, durabilidad y ahorro de energía, como vidrio de baja emisividad, recubrimiento duro para componentes de motores (como en la Fórmula Uno), recubrimiento oftálmico, ordeñadoras y otros equipos en establos lecheros;
• impregnación al vacío de productos porosos como madera o devanados de motores eléctricos;
• servicio de aire acondicionado (eliminación de todos los contaminantes del sistema antes de cargar con refrigerante);
• compactador de basura;
• ingeniería de vacío;
• sistemas de alcantarillado (ver normas EN1091:1997);
• secar en frío; y
• investigación de fusión.

En el campo de la regeneración y refinación de petróleo, las bombas de vacío crean un bajo vacío para la deshidratación del petróleo y un alto vacío para la purificación del petróleo.

Se puede usar una aspiradora para alimentar o brindar asistencia a los dispositivos mecánicos. En los vehículos de motor híbridos y diésel, se utiliza una bomba instalada en el motor (generalmente en el árbol de levas) para producir un vacío. En los motores de gasolina, en cambio, el vacío se obtiene típicamente como un efecto secundario del funcionamiento del motor y la restricción de flujo creada por la placa del acelerador, pero también puede complementarse con una bomba de vacío operada eléctricamente para aumentar la asistencia de frenado o mejorar el consumo de combustible.. Este vacío se puede usar para alimentar los siguientes componentes del vehículo motorizado: servoamplificador de vacío para los frenos hidráulicos, motores que mueven los amortiguadores en el sistema de ventilación, impulsor del acelerador en el servomecanismo del control de crucero, cerraduras de puertas o aperturas del baúl.

En un avión, la fuente de vacío se usa a menudo para alimentar giroscopios en los diversos instrumentos de vuelo. Para evitar la pérdida total de instrumentación en caso de una falla eléctrica, el panel de instrumentos está diseñado deliberadamente con ciertos instrumentos alimentados por electricidad y otros instrumentos alimentados por la fuente de vacío.

Dependiendo de la aplicación, algunas bombas de vacío pueden ser accionadas eléctricamente (usando corriente eléctrica) o neumáticamente (usando presión de aire), o accionadas y accionadas por otros medios.

Riesgos

Los viejos aceites para bombas de vacío que se produjeron antes de 1980 a menudo contienen una mezcla de varios bifenilos policlorados (PCB) peligrosos, que son contaminantes orgánicos persistentes, cancerígenos y altamente tóxicos.