Una bomba turbomolecular es un tipo de bomba de vacío , superficialmente similar a una turbobomba , que se utiliza para obtener y mantener un alto vacío . [1] [2] Estas bombas funcionan según el principio de que las moléculas de gas pueden recibir impulso en una dirección deseada mediante colisiones repetidas con una superficie sólida en movimiento. En una bomba turbomolecular, un rotor de ventilador que gira rápidamente "golpea" las moléculas de gas desde la entrada de la bomba hacia el escape para crear o mantener un vacío.
La mayoría de las bombas turbomoleculares emplean múltiples etapas, cada una de las cuales consta de un par de álabes de rotor que giran rápidamente y un par de álabes de estator estacionarios . El sistema es un compresor axial que introduce energía en el gas, en lugar de una turbina , que extrae energía de un fluido en movimiento para crear potencia rotatoria, por lo que "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 prevacío (bomba de respaldo). A medida que las moléculas de gas ingresan por la entrada, el rotor, que tiene una serie de álabes en ángulo, golpea las moléculas. De este modo, la energía mecánica de los álabes se transfiere a las moléculas de gas. Con este impulso recién adquirido, las moléculas de gas ingresan en los orificios de transferencia de gas en el estator. Esto las lleva a la siguiente etapa donde nuevamente chocan con la superficie del rotor, y este proceso continúa, llevándolas finalmente hacia afuera 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 pala mira hacia abajo, la mayoría de las moléculas dispersas la abandonarán hacia abajo. La superficie es rugosa, por lo que no se producirá reflexión. Una pala debe ser lo suficientemente gruesa y estable para el funcionamiento a alta presión y lo más delgada posible y ligeramente doblada para una máxima compresión. Para relaciones de compresión altas, la garganta entre las palas del rotor adyacentes (como se muestra en la imagen) apunta lo más posible hacia adelante. Para caudales altos, las palas están a 45° y llegan cerca del 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, idealmente, podrían caber infinitas etapas en una longitud axial finita. La longitud finita en este caso es la altura total de la carcasa, ya que los cojinetes , el motor, el controlador y algunos de los refrigeradores se pueden instalar dentro del eje. Radialmente, para captar la mayor cantidad posible del gas fino en la entrada, los rotores del lado de entrada tendrían idealmente un radio mayor y, en consecuencia, una fuerza centrífuga mayor; las palas ideales se volverían más delgadas hacia sus puntas. Sin embargo, debido a que la velocidad promedio de una pala afecta tanto al bombeo, esto se hace aumentando el diámetro de la raíz en lugar del diámetro de la punta cuando sea práctico.
Las bombas turbomoleculares deben funcionar a velocidades muy altas y la acumulación de calor debido a la 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, las paletas en las etapas de alta presión están un poco degeneradas en una sola lámina helicoidal cada una. El flujo laminar no se puede utilizar para bombear, porque las turbinas laminares se atascan cuando no se utilizan al flujo diseñado. La bomba se puede enfriar para mejorar la compresión, pero no debe estar tan fría como para que se condense hielo en las paletas. 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 del vacío al nitrógeno y de una turbobomba en funcionamiento a una en reposo tiene que estar sincronizada con precisión para evitar la tensión mecánica en la bomba y la 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 por un material diamagnético , que es demasiado inestable para ser utilizado 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 el patrón de tablero de ajedrez de las esferas estáticas gira, el rotor gira. En esta construcción, ningún eje se hace estable a costa de hacer inestable otro eje, pero todos los ejes son neutros y la regulación electrónica está menos estresada y será más estable dinámicamente. Se pueden utilizar sensores de efecto Hall para detectar la posición rotacional y los otros grados de libertad se pueden medir capacitivamente.
A presión atmosférica, el recorrido libre medio del aire es de unos 70 nm. Una bomba turbomolecular puede funcionar solo si las moléculas impactadas por las palas móviles alcanzan las palas estacionarias antes de colisionar con otras moléculas en su camino. Para lograr eso, la distancia entre las palas móviles y las estacionarias debe ser cercana o menor que el recorrido libre medio. Desde un punto de vista práctico de construcción, una distancia factible entre los conjuntos de palas es del orden de 1 mm, por lo que una turbobomba se detendrá (no habrá 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 menor que aproximadamente 10 Pa (0,10 mbar), donde el recorrido libre medio es de aproximadamente 0,7 mm.
La mayoría de las turbobombas tienen una bomba Holweck (o bomba de arrastre molecular) como última etapa para aumentar la presión máxima de respaldo (presión de escape) a aproximadamente 1–10 mbar. Teóricamente, se podría utilizar una bomba centrífuga, una bomba de canal lateral o una bomba regenerativa para volver a la presión atmosférica directamente, pero actualmente no hay ninguna turbobomba disponible comercialmente 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 precalentamiento ) que produce una presión lo suficientemente baja para que la bomba turbomolecular funcione de manera eficiente. Por lo general, esta presión de respaldo es inferior a 0,1 mbar y, comúnmente, alrededor de 0,01 mbar. La presión de respaldo rara vez es inferior a 10 −3 mbar (camino libre medio ≈ 70 mm) porque la resistencia al flujo de la tubería de vacío entre la turbobomba y la bomba de precalentamiento se vuelve significativa.
La bomba turbomolecular puede ser una bomba muy versátil. Puede generar muchos grados de vacío, desde un vacío intermedio (≈10 −2 Pa) hasta niveles de vacío ultraalto (≈10 −8 Pa).
Se pueden conectar varias bombas turbomoleculares en un laboratorio o una planta de fabricación mediante tubos a una pequeña bomba auxiliar. Las válvulas automáticas y la bomba de difusión, como la inyección en un tubo amortiguador grande frente a la bomba auxiliar, evitan que la sobrepresión de una bomba detenga otra.
Las leyes de la dinámica de fluidos no proporcionan buenas aproximaciones para el comportamiento de moléculas de gas individuales, altamente separadas y no interactuantes, 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 como para ser bien bombeados, pero es difícil bombear hidrógeno y helio de manera eficiente.
Un inconveniente adicional proviene de la alta velocidad del rotor de este tipo de bomba: se requieren cojinetes de muy alta calidad , lo que aumenta el coste.
Dado 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 eficaz. 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 necesaria.
Gran parte del desarrollo reciente de las turbobombas se ha centrado en la mejora de 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 proporción mayor 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 efecto marcado en el bombeo de estos gases ligeros, mejorando las relaciones de compresión hasta en dos órdenes de magnitud para un volumen de bombeo determinado. [ cita requerida ] 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.
La bomba turbomolecular fue inventada en 1958 por W. Becker, basándose en las antiguas bombas de arrastre molecular desarrolladas por Wolfgang Gaede en 1913, Fernand Holweck en 1923 y Manne Siegbahn en 1944. [3]
