Bomba turbomolecular
Una bomba turbomolecular es un tipo de bomba de vacío, superficialmente similar a una turbobomba, utilizada para obtener y mantener un alto vacío. Estas bombas funcionan según el principio de que a las moléculas de gas se les puede dar impulso en la dirección deseada mediante colisiones repetidas con una superficie sólida en movimiento. En una bomba turbomolecular, un rotor de ventilador que gira rápidamente 'golpea' moléculas de gas desde la entrada de la bomba hacia el escape para crear o mantener un vacío.
Principios de funcionamiento
La mayoría de las bombas turbomoleculares emplean varias etapas, cada una de las cuales consta de un aspa de rotor que gira rápidamente y un par de aspas de estator estacionario. El sistema es un compresor axial que pone energía en el gas, en lugar de una turbina, que extrae energía de un fluido en movimiento para crear energía rotatoria, por lo tanto, la "bomba turbomolecular" es un nombre inapropiado. El gas capturado por las etapas superiores se empuja hacia las etapas inferiores y se comprime sucesivamente hasta el nivel de la presión de vacío previo (bomba de respaldo). A medida que las moléculas de gas ingresan a través de la entrada, el rotor, que tiene varias palas en ángulo, golpea las moléculas. Así, la energía mecánica de los álabes se transfiere a las moléculas de gas. Con este impulso recién adquirido, las moléculas de gas entran en los orificios de transferencia de gas del estator. Esto los lleva a la siguiente etapa donde nuevamente chocan con la superficie del rotor, y este proceso continúa, llevándolos finalmente hacia el exterior a través del escape.
Debido al movimiento relativo del rotor y el estator, las moléculas golpean preferentemente el lado inferior de las palas. Debido a que la superficie de la hoja mira hacia abajo, la mayoría de las moléculas dispersas la dejarán hacia abajo. La superficie es rugosa, por lo que no se producirá ningún reflejo. Una hoja debe ser lo suficientemente gruesa y estable para operar a alta presión y lo más delgada posible y ligeramente doblada para una compresión máxima. Para relaciones de compresión altas, la garganta entre las palas del rotor adyacentes (como se muestra en la imagen) apunta tanto como sea posible en la dirección de avance. Para caudales elevados, las palas están a 45° y se acercan al eje.
Debido a que la compresión de cada etapa es ≈10, cada etapa más cercana a la salida es considerablemente más pequeña que las etapas de entrada anteriores. Esto tiene dos consecuencias. La progresión geométrica nos dice que las etapas infinitas podrían caber idealmente en una longitud axial finita. La longitud finita en este caso es la altura total de la carcasa, ya que los rodamientos, el motor y el controlador y algunos de los enfriadores se pueden instalar en el interior del eje. Radialmente, para captar la mayor cantidad de gas delgado en la entrada, los rotores del lado de entrada tendrían idealmente un radio más grande y, en consecuencia, una fuerza centrífuga más alta; las hojas ideales se volverían exponencialmente más delgadas hacia sus puntas y las fibras de carbono deberían reforzar las hojas de aluminio. Sin embargo, debido a que la velocidad promedio de una pala afecta tanto el bombeo, esto se logra aumentando el diámetro de la raíz en lugar del diámetro de la punta cuando sea práctico.
El rendimiento de una bomba turbomolecular está fuertemente relacionado con la frecuencia del rotor. A medida que aumentan las rpm, las palas del rotor se desvían más. Para aumentar la velocidad y reducir la deformación, se han sugerido materiales más rígidos y diferentes diseños de palas.
Las bombas turbomoleculares deben operar a velocidades muy altas y la acumulación de calor por fricción impone limitaciones de diseño. Algunas bombas turbomoleculares utilizan cojinetes magnéticos para reducir la fricción y la contaminación del aceite. Debido a que los cojinetes magnéticos y los ciclos de temperatura permiten solo una holgura limitada entre el rotor y el estator, los álabes en las etapas de alta presión se degeneran un poco en una sola lámina helicoidal cada uno. El flujo laminar no se puede usar para bombear, porque las turbinas laminares se paran cuando no se usan al flujo diseñado. La bomba se puede enfriar para mejorar la compresión, pero no debe estar tan fría como para condensar hielo en las aspas. Cuando se detiene una turbobomba, el aceite del vacío de respaldo puede retroceder a través de la turbobomba y contaminar la cámara. Una forma de evitar esto es introducir un flujo laminar de nitrógeno a través de la bomba. La transición de vacío a nitrógeno y de una turbobomba en funcionamiento a una estática debe sincronizarse con precisión para evitar tensión mecánica en la bomba y sobrepresión en el escape. Se debe agregar una membrana delgada y una válvula en el escape para proteger la turbobomba de una contrapresión excesiva (por ejemplo, después de un corte de energía o fugas en el vacío de respaldo).
El rotor está estabilizado en todos sus seis grados de libertad. Un grado está gobernado por el motor eléctrico. Como mínimo, este grado debe estabilizarse electrónicamente (o mediante un material diamagnético, que es demasiado inestable para usarse en un cojinete de bomba de precisión). Otra forma (ignorando las pérdidas en los núcleos magnéticos a altas frecuencias) es construir este cojinete como un eje con una esfera en cada extremo. Estas esferas están dentro de esferas estáticas huecas. En la superficie de cada esfera hay un patrón de tablero de ajedrez de líneas de campo magnético que van hacia adentro y hacia afuera. A medida que gira el patrón de tablero de ajedrez de las esferas estáticas, el rotor gira. En esta construcción, ningún eje se hace estable a costa de hacer que otro eje sea inestable, pero todos los ejes son neutrales y la regulación electrónica está menos solicitada y será dinámicamente más estable. Los sensores de efecto Hall se pueden usar para detectar la posición de rotación y los otros grados de libertad se pueden medir capacitivamente.
Presión máxima
A la presión atmosférica, el camino libre medio del aire es de unos 70 nm. Una bomba turbomolecular puede funcionar solo si las moléculas golpeadas por las palas en movimiento alcanzan las palas estacionarias antes de chocar con otras moléculas en su camino. Para lograr eso, el espacio entre las palas móviles y las palas estacionarias debe ser cercano o menor que el camino libre medio. Desde el punto de vista práctico de la construcción, un espacio factible entre los conjuntos de álabes es del orden de 1 mm, por lo que una turbobomba se detendrá (sin bombeo neto) si se descarga directamente a la atmósfera. Dado que el recorrido libre medio es inversamente proporcional a la presión, una turbobomba bombeará cuando la presión de escape sea inferior a unos 10 Pa (0,10 mbar), donde el recorrido libre medio es de unos 0,7 mm.
La mayoría de las turbobombas tienen una bomba Holweck (o bomba de arrastre molecular) como última etapa para aumentar la presión de respaldo máxima (presión de escape) a alrededor de 1 a 10 mbar. Teóricamente, se podría usar una bomba centrífuga, una bomba de canal lateral o una bomba regenerativa para volver a la presión atmosférica directamente, pero actualmente no hay una turbobomba comercialmente disponible que escape directamente a la atmósfera. En la mayoría de los casos, el escape está conectado a una bomba de respaldo mecánica (generalmente llamada bomba de vacío preliminar) que produce una presión lo suficientemente baja para que la bomba turbomolecular funcione de manera eficiente. Por lo general, esta contrapresión está por debajo de 0,1 mbar y, por lo general, alrededor de 0,01 mbar. La contrapresión rara vez está por debajo de 10−3 mbar (recorrido libre medio ≈ 70 mm) porque la resistencia al flujo de la tubería de vacío entre la turbobomba y la bomba preliminar se vuelve significativa.
La bomba turbomolecular puede ser una bomba muy versátil. Puede generar muchos grados de vacío, desde vacío intermedio (≈10−2 Pa) hasta niveles de vacío ultraalto (≈10−8 Pa).
Se pueden conectar varias bombas turbomoleculares en un laboratorio o planta de fabricación mediante tubos a una pequeña bomba de respaldo. Las válvulas automáticas y la bomba de difusión como la inyección en un gran tubo de protección frente a la bomba de respaldo evitan que cualquier sobrepresión de una bomba detenga otra bomba.
Consideraciones prácticas
Las leyes de la dinámica de fluidos no proporcionan buenas aproximaciones para el comportamiento de moléculas de gas individuales, muy separadas y que no interactúan, como las que se encuentran en entornos de alto vacío. La compresión máxima varía linealmente con la velocidad circunferencial del rotor. Para obtener presiones extremadamente bajas de hasta 1 micropascal, a menudo se necesitan velocidades de rotación de 20.000 a 90.000 revoluciones por minuto. Desafortunadamente, la relación de compresión varía exponencialmente con la raíz cuadrada del peso molecular del gas. Por lo tanto, las moléculas pesadas se bombean mucho más eficientemente que las moléculas ligeras. La mayoría de los gases son lo suficientemente pesados para ser bien bombeados, pero es difícil bombear hidrógeno y helio de manera eficiente.
Un inconveniente adicional surge de la alta velocidad del rotor de este tipo de bomba: se requieren cojinetes de muy alta calidad, lo que aumenta el costo.
Debido a que las bombas turbomoleculares solo funcionan en condiciones de flujo molecular, una bomba turbomolecular pura requerirá una bomba de respaldo muy grande para funcionar de manera efectiva. Por lo tanto, muchas bombas modernas tienen una etapa de arrastre molecular, como un mecanismo Holweck o Gaede, cerca del escape para reducir el tamaño de la bomba de respaldo requerida.
Gran parte del desarrollo reciente de turbobombas se ha centrado en mejorar la eficacia de las etapas de arrastre. A medida que se extrae gas de un espacio bombeado, los gases más ligeros, hidrógeno y helio, se convierten en una mayor proporción de la carga de gas restante. En los últimos años se ha demostrado que el diseño preciso de la geometría de la superficie de las etapas de arrastre puede tener un marcado efecto en el bombeo de estos gases ligeros, mejorando las relaciones de compresión hasta en dos órdenes de magnitud para un volumen de bombeo dado. Como resultado, es posible utilizar bombas de respaldo mucho más pequeñas que las que requerirían las bombas turbomoleculares puras y/o diseñar bombas turbomoleculares más compactas.
Historia
La bomba turbomolecular fue inventada en 1958 por W. Becker, basada en las bombas de arrastre molecular más antiguas desarrolladas por Wolfgang Gaede en 1913, Fernand Holweck en 1923 y Manne Siegbahn en 1944.