Bomba de difusão

Seis polegadas bomba de difusão de óleo.

Corte de bomba de difusão de óleo Ulvac

Bombas de difusão usam um jato de vapor de alta velocidade para direcionar as moléculas de gás na garganta da bomba para o fundo da bomba e para fora do escapamento. Elas foram o primeiro tipo de bombas de alto vácuo operando no regime de fluxo molecular livre, onde o movimento das moléculas do gás pode ser melhor entendido como difusão do que pela dinâmica de fluidos convencional. Inventada em 1915 por Wolfgang Gaede, ele a chamou de bomba de difusão, pois seu projeto foi baseado na descoberta de que o gás não pode se difundir contra o fluxo de vapor, mas será levado com ele até o escapamento. No entanto, o princípio de operação pode ser descrito com mais precisão como bomba de jato de gás, uma vez que a difusão também desempenha um papel em outras bombas de alto vácuo. Nos livros didáticos modernos, a bomba de difusão é categorizada como uma bomba de transferência de momento.

A bomba de difusão é amplamente utilizada em aplicações industriais e de pesquisa. A maioria das bombas de difusão modernas usa óleo de silicone ou éteres polifenílicos como fluido de trabalho.

História

No final do século 19, a maioria dos vácuos era criada usando uma bomba Sprengel, que tinha a vantagem de ser muito simples de operar e capaz de atingir um bom vácuo com tempo suficiente. Em comparação com bombas posteriores, no entanto, a velocidade de bombeamento era muito lenta e a pressão de vapor do mercúrio líquido limitava o vácuo final.

Seguindo sua invenção da bomba molecular, a bomba de difusão foi inventada em 1915 por Wolfgang Gaede, e originalmente usava mercúrio elementar como fluido de trabalho. Após sua invenção, o desenho foi rapidamente comercializado pela Leybold.

Foi então melhorado por Irving Langmuir e W. Crawford. Cecil Reginald Burch descobriu a possibilidade de usar óleo de silicone em 1928.

Bombas de difusão de óleo

Uma bomba de difusão de óleo é usada para atingir maior vácuo (pressão mais baixa) do que é possível com o uso de bombas de deslocamento positivo sozinhas. Embora seu uso tenha sido associado principalmente na faixa de alto vácuo, até 1×10⁻⁹ mbar (1× 10⁻⁷ Pa), as bombas de difusão hoje podem produzir pressões próximas 1×10⁻¹⁰ mbar (1× 10⁻⁸ Pa) quando usado corretamente com fluidos e acessórios modernos. As características que tornam a bomba de difusão atraente para uso em alto e ultra-alto vácuo são sua alta velocidade de bombeamento para todos os gases e baixo custo por unidade de velocidade de bombeamento quando comparada com outros tipos de bombas usadas na mesma faixa de vácuo. As bombas de difusão não podem descarregar diretamente na atmosfera, então uma bomba mecânica é normalmente usada para manter uma pressão de saída em torno de 0,1 mbar (10 Pa).

Bombas de difusão utilizadas nos espectrômetros de massa Calutron durante o Projeto Manhattan, visíveis como cilindros pretos na metade superior da imagem

Diagrama de uma bomba de difusão de óleo

A bomba de difusão de óleo é operada com um óleo de baixa pressão de vapor. O jato de alta velocidade é gerado fervendo o fluido e direcionando o vapor através de um conjunto de jato. Observe que o óleo é gasoso ao entrar nos bicos. Dentro dos bocais, o fluxo muda de laminar para supersônico e molecular. Freqüentemente, vários jatos são usados em série para aumentar a ação de bombeamento. A parte externa da bomba de difusão é resfriada usando fluxo de ar, linhas de água ou uma camisa cheia de água. À medida que o jato de vapor atinge o invólucro resfriado externo da bomba de difusão, o fluido de trabalho condensa e é recuperado e direcionado de volta para a caldeira. Os gases bombeados continuam fluindo para a base da bomba a uma pressão aumentada, saindo pela saída da bomba de difusão, onde são comprimidos à pressão ambiente pela bomba dianteira mecânica secundária e expelidos.

Ao contrário das bombas turbomoleculares e das bombas criogênicas, as bombas de difusão não possuem partes móveis e, como resultado, são bastante duráveis e confiáveis. Eles podem funcionar em faixas de pressão de 1×10⁻¹⁰ a 1×10 ⁻² mbar (1×10⁻⁸ a 1 Pa). Eles são acionados apenas por convecção e, portanto, têm uma eficiência energética muito baixa.

Uma grande desvantagem das bombas de difusão é a tendência de refluir o óleo para a câmara de vácuo. Este óleo pode contaminar superfícies no interior da câmara ou ao entrar em contato com filamentos quentes ou descargas elétricas pode resultar em depósitos carbonáceos ou siliciosos. Devido ao refluxo, as bombas de difusão de óleo não são adequadas para uso com equipamentos analíticos altamente sensíveis ou outras aplicações que exijam um ambiente de vácuo extremamente limpo, mas as bombas de difusão de mercúrio podem ser utilizadas no caso de câmaras de ultra alto vácuo para deposição de metal. Muitas vezes, armadilhas frias e defletores são usados para minimizar o refluxo, embora isso resulte em alguma perda de velocidade de bombeamento.

O óleo de uma bomba de difusão não pode ser exposto à atmosfera quando quente. Se isso ocorrer, o óleo oxidará e deverá ser substituído. Se ocorrer um incêndio, a fumaça e os resíduos podem contaminar outras partes do sistema.

Tipos de óleo

Os óleos de bomba de difusão mais baratos são baseados em hidrocarbonetos que foram purificados por dupla destilação. Em comparação com os outros fluidos, eles têm pressão de vapor mais alta, portanto, geralmente são limitados a uma pressão de 1×10⁻⁶ Torr (1.3× 10⁻⁴ Pa). Eles também são os mais propensos a queimar ou explodir se expostos a oxidantes.

Os óleos de silicone mais comuns usados em bombas de difusão são os trissiloxanos, que contêm o grupo químico Si-O-Si-O-Si, ao qual estão ligados vários grupos fenil ou metil. Estes estão disponíveis como as chamadas misturas 702 e 703, anteriormente fabricadas pela Dow Corning. Estes podem ser separados em óleos 704 e 705, que são compostos dos isômeros de tetrafenil tetrametil trissiloxano e pentafenil trimetil trissiloxano, respectivamente.

Para o bombeamento de espécies reativas, geralmente é usado um óleo à base de polifenil éter. Esses óleos são o tipo de óleo de bomba de difusão mais resistente a produtos químicos e ao calor.

Ejetores de vapor

Lote de velocidade de bombeamento como uma função de pressão para uma bomba de difusão.

Primeira bomba de difusão de mercúrio Langmuir (coluna vertical) e sua bomba de apoio (em fundo), cerca de 1920. A bomba de difusão foi amplamente utilizada na fabricação de tubos de vácuo, a tecnologia chave que dominou a indústria de rádio e eletrônica por 50 anos.

O ejetor de vapor é uma forma popular de bomba para destilação a vácuo e liofilização. Um jato de vapor arrasta o vapor que deve ser removido da câmara de vácuo. Os ejetores de vapor podem ter estágios únicos ou múltiplos, com e sem condensadores entre os estágios. Embora os ejetores de vapor e as bombas de difusão usem jatos de vapor para arrastar o gás, eles funcionam com princípios fundamentalmente diferentes - os ejetores de vapor dependem do fluxo viscoso e da mistura para bombear o gás, enquanto as bombas de difusão usam a difusão molecular. Isso tem várias consequências. Nas bombas de difusão, a pressão de entrada pode ser muito menor do que a pressão estática do jato, enquanto nos ejetores de vapor as duas pressões são aproximadamente iguais. Além disso, as bombas de difusão são capazes de taxas de compressão muito maiores e não podem descarregar diretamente na atmosfera.