Una bomba de vacío es un tipo de dispositivo de bombeo que extrae partículas de gas de un volumen sellado para dejar un vacío parcial . 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. [1]
La predecesora de la bomba de vacío fue la bomba de succión. Se encontraron bombas de succión de doble acción en la ciudad de Pompeya . [2] El ingeniero árabe Al-Jazari describió más tarde las bombas de succión de doble acción como parte de las máquinas para elevar el agua en el siglo XIII. También dijo que se usaba una bomba de succión en sifones para descargar el fuego griego . [3] La bomba de succión apareció más tarde en la Europa medieval a partir del siglo XV. [3] [4] [5]
En el siglo XVII, los diseños de bombas de agua habían mejorado hasta el punto de que producían vacíos mensurables, 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 medición tomada alrededor de 1635, o alrededor de 34 pies (10 m). [6] Este límite era una preocupación en los proyectos de irrigación, 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 sugirió, 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. [6] Otros científicos aceptaron el desafío, incluido Gasparo Berti , quien lo replicó al construir el primer barómetro de agua en Roma en 1639. [7] El barómetro de Berti produjo un vacío por encima de la columna de agua, pero no pudo explicarlo. En 1643, el alumno de Galileo , Evangelista Torricelli, realizó un gran avance: basándose en las notas de Galileo, construyó el primer barómetro de mercurio y escribió un argumento convincente de que el espacio en la parte superior era el 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. [8]
En 1650, Otto von Guericke inventó la primera bomba de vacío. [9] Cuatro años después, realizó su famoso experimento de los hemisferios de Magdeburgo , demostrando que dos grupos 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 ayudaba a producir el vacío.
En 1709, Francis Hauksbee mejoró aún más el diseño con su bomba de dos cilindros, en la que dos pistones funcionaban mediante un diseño de piñón y cremallera que, según se dice, "generaba un vacío con una precisión de aproximadamente una pulgada de mercurio". [10] Este diseño siguió siendo popular y solo cambió ligeramente hasta bien entrado el siglo XIX. [10]
Heinrich Geissler inventó la bomba de desplazamiento de mercurio en 1855 [10] y logró un vacío récord de aproximadamente 10 Pa (0,1 Torr ). En este nivel de vacío se pueden observar varias propiedades eléctricas, lo que renovó el interés por el vacío. Esto, a su vez, condujo al desarrollo del tubo de vacío . [11] La bomba Sprengel fue un generador de vacío ampliamente utilizado en esta época. [10]
A principios del siglo XX se inventaron muchos tipos de bombas de vacío, incluidas la bomba de arrastre molecular , [10] la bomba de difusión , [12] y la bomba turbomolecular . [13]
Las bombas se pueden clasificar ampliamente según tres técnicas: desplazamiento positivo, transferencia de momento y atrapamiento. [14] [15] [16] 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 momento, también llamadas bombas moleculares, utilizan chorros de alta velocidad de fluido denso o cuchillas giratorias de alta velocidad para sacar las moléculas de gas de la cámara. Las bombas de atrapamiento capturan gases en estado sólido o adsorbido; esto incluye bombas criogénicas , captadores y bombas de iones . [14] [15]
Las bombas de desplazamiento positivo son las más eficaces para vacíos bajos. Las bombas de transferencia de momento, en combinación con una o dos bombas de desplazamiento positivo, son la configuración más común utilizada para lograr vacíos altos. En esta configuración, la bomba de desplazamiento positivo cumple dos propósitos. En primer lugar, obtiene un vacío aproximado en el recipiente que se está evacuando antes de que la bomba de transferencia de momento pueda usarse para obtener el vacío alto, ya que las bombas de transferencia de momento no pueden comenzar a bombear a presiones atmosféricas. En segundo lugar, la bomba de desplazamiento positivo respalda a la bomba de transferencia de momento 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 moléculas de aire o iones. Debido a este requisito, su tiempo operativo disponible puede ser inaceptablemente corto en vacíos bajos y altos, lo que limita su uso a vacíos ultra altos. 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 sustancias químicas, tolerancia a líquidos y vibración. [14] [15] [16]
Se puede generar un vacío parcial aumentando el volumen de un recipiente. Para continuar evacuando una cámara indefinidamente sin requerir un crecimiento infinito, se puede cerrar, vaciar y expandir nuevamente un compartimento del vacío 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) es empujado hacia la pequeña cavidad de la bomba. Luego, la cavidad de la bomba se sella de la cámara, se abre a la atmósfera y se comprime hasta un tamaño diminuto. [14] [16]
Para la mayoría de las aplicaciones industriales se utilizan sistemas más sofisticados, pero el principio básico de la eliminación cíclica del volumen es el mismo: [17] [18]
La presión base de un sistema de bomba de pistón sellado con caucho y plástico es típicamente de 1 a 50 kPa, mientras que una bomba de espiral puede alcanzar 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 Pa.
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 el contraflujo.
En una bomba de transferencia de momento (o bomba cinética [16] ), 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 momento solo es posible por debajo de presiones de aproximadamente 0,1 kPa. La materia fluye de manera diferente a diferentes presiones según las leyes de la dinámica de fluidos . A presión atmosférica y vacíos suaves, las moléculas interactúan entre sí y empujan a sus moléculas vecinas en lo que se conoce como flujo viscoso. Cuando la distancia entre las moléculas aumenta, las moléculas interactúan con las paredes de la cámara con más frecuencia que con las otras moléculas, y el bombeo molecular se vuelve más efectivo que el bombeo de desplazamiento positivo. Este régimen generalmente se llama alto vacío. [14] [16]
Las bombas moleculares barren un área mayor que las bombas mecánicas y lo hacen con mayor frecuencia, lo que las hace capaces de alcanzar velocidades de bombeo mucho mayores. Lo hacen a expensas del sello entre el vacío y su escape. Como no hay sello, una pequeña presión en el escape puede causar fácilmente un reflujo a través de la bomba; esto se llama estancamiento. Sin embargo, en alto vacío, los gradientes de presión tienen poco efecto en 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 vapor de aceite o 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 agotan directamente a la presión atmosférica, por lo que deben agotarse a un vacío de grado inferior creado por una bomba mecánica, en este caso llamada bomba de respaldo. [16]
Al igual que con las bombas de desplazamiento positivo, la presión base se alcanzará cuando las fugas, la desgasificación y el reflujo sean iguales a la velocidad de la bomba, pero ahora minimizar las fugas y la desgasificación a un nivel comparable al reflujo se vuelve mucho más difícil.
Una bomba de atrapamiento puede ser una criobomba , que utiliza 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 utiliza campos eléctricos fuertes para ionizar los gases e impulsar los iones hacia un sustrato sólido. Un criomódulo utiliza criopombeo. 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 utilizar repetidamente). [14] [15]
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 conjuntos de dientes perpendiculares en el rotor que hacen circular moléculas de aire dentro de ranuras huecas estacionarias como la bomba centrífuga multietapa. Pueden alcanzar 1×10 −5 mbar (0,001 Pa) (cuando se combinan con la bomba Holweck) y expulsar directamente a la presión atmosférica. Ejemplos de tales bombas son Edwards EPX [19] (documento técnico [20] ) y Pfeiffer OnTool™ Booster 150. [21] A veces se la denomina bomba de canal lateral. Debido a la alta tasa de bombeo desde la atmósfera al alto vacío y a la menor contaminación ya que el cojinete se puede instalar 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 tiene un consumo de energía elevado (~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 se puede reducir casi diez veces si se utiliza una bomba pequeña. [22]
Otros tipos de bombas incluyen:
La velocidad de bombeo se refiere al caudal volumétrico de una bomba en su entrada, que a menudo se mide en volumen por unidad de tiempo. Las bombas de transferencia de momento y de atrapamiento son más eficaces con algunos gases que con otros, por lo que la velocidad de bombeo puede ser diferente para cada uno de los gases que se bombean, y el caudal volumétrico promedio de la bomba variará según la composición química de los gases que permanezcan en la cámara. [23]
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 a la cantidad 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 un flujo inverso 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. [23]
Las bombas de desplazamiento positivo y transferencia de momento tienen un caudal volumétrico constante (velocidad de bombeo), pero a medida que la presión de la cámara disminuye, este volumen contiene cada vez menos masa. Por lo tanto, aunque la velocidad de bombeo permanece constante, el caudal y el caudal másico caen exponencialmente. Mientras tanto, las tasas de fuga, evaporación , sublimación y reflujo continúan produciendo un caudal constante en el sistema. [23]
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, estas bombas solo pueden lograr un vacío bajo. Para lograr un vacío mayor, se deben utilizar otras técnicas, generalmente en serie (generalmente después de un bombeo rápido inicial con una bomba de desplazamiento positivo). Algunos ejemplos podrían ser el uso de una bomba de paletas rotativas sellada con aceite (la bomba de desplazamiento positivo más común) que respalde una bomba de difusión, o una bomba de espiral seca que respalde una bomba turbomolecular. Hay otras combinaciones según el nivel de vacío que se busque.
Lograr un alto vacío es difícil porque todos los materiales expuestos al vacío deben evaluarse cuidadosamente para determinar sus propiedades de desgasificación y presión de vapor . Por ejemplo, los aceites, las grasas y las juntas de goma o plástico utilizadas como sellos para la cámara de vacío no deben evaporarse 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 . [24]
La desgasificación también se puede reducir simplemente mediante la desecación antes del bombeo al vacío. [24] Los sistemas de alto vacío generalmente requieren cámaras de metal con sellos de junta de metal como bridas Klein o bridas ISO, en lugar de las juntas de goma más comunes en los sellos de cámara de bajo vacío. [25] 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. [ cita requerida ]
Se pueden utilizar varios tipos de bombas en secuencia o en paralelo. En una secuencia de bombeo típica, se utilizaría 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 utilizaría una bomba de sorción para reducir la presión a 10 −4 Torr (10 mPa). Se utilizaría una criobomba o una bomba turbomolecular para reducir aún más la presión a 10 −8 Torr (1 μPa). Se puede iniciar una bomba de iones adicional por debajo de 10 −6 Torr para eliminar los gases que no se manejan adecuadamente con una criobomba o una bomba turbo, como el helio o el hidrógeno . [ cita requerida ]
El vacío ultra alto generalmente requiere equipo construido a medida, procedimientos operativos estrictos y una buena cantidad de prueba y error. Los sistemas de vacío ultra alto generalmente están hechos de acero inoxidable con bridas de vacío con juntas de metal . El sistema generalmente se hornea, preferiblemente al vacío, para aumentar 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 hierven y se evacuan, el sistema se puede enfriar a presiones de vapor más bajas para minimizar la desgasificación residual durante el funcionamiento real. Algunos sistemas se enfrían muy por debajo de la temperatura ambiente con nitrógeno líquido para detener la desgasificación residual y, al mismo tiempo, criobombear el sistema. [26]
En los sistemas de ultra alto vacío, se deben tener en cuenta algunas vías de fuga y fuentes de desgasificación muy extrañas. La absorción de agua del aluminio y el paladio se convierte en una fuente inaceptable de desgasificación, e incluso se debe tener 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 haya que tener en cuenta la porosidad de las paredes metálicas de la cámara de vacío , y la dirección de la veta de las bridas metálicas debe ser paralela a la cara de la brida. [26]
Hay que tener en cuenta el impacto del tamaño molecular. Las moléculas más pequeñas pueden filtrarse con mayor facilidad y son absorbidas con mayor facilidad por ciertos materiales, y las bombas moleculares son menos eficaces para bombear gases con pesos moleculares más bajos. Un sistema puede ser capaz de evacuar nitrógeno (el componente principal del aire) hasta el vacío deseado, pero la cámara podría seguir estando llena de hidrógeno atmosférico residual y helio. 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. [26]
Las bombas de vacío se utilizan en muchos procesos industriales y científicos, entre ellos:
En el campo de la regeneración y re-refinación del petróleo, las bombas de vacío crean un vacío bajo para la deshidratación del petróleo y un vacío alto para la purificación del petróleo. [44]
El vacío puede utilizarse para alimentar o proporcionar asistencia a dispositivos mecánicos. En los vehículos de motor híbridos y diésel , se utiliza una bomba instalada en el motor (normalmente en el árbol de levas ) para producir vacío. En los motores de gasolina , en cambio, el vacío se obtiene normalmente como efecto secundario del funcionamiento del motor y de 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 puede utilizarse entonces para alimentar los siguientes componentes del vehículo de motor: [45] servoamplificador de vacío para los frenos hidráulicos , motores que mueven los amortiguadores en el sistema de ventilación, controlador del acelerador en el servomecanismo de control de crucero , cerraduras de puertas o apertura del maletero.
En un avión , la fuente de vacío se utiliza a menudo para alimentar los giroscopios de los distintos instrumentos de vuelo . Para evitar la pérdida total de la instrumentación en caso de un fallo eléctrico , 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 ser alimentadas y accionadas por otros medios . [46] [47] [48] [49]
Los aceites para bombas de vacío antiguos que se produjeron antes de 1980 aproximadamente a menudo contienen una mezcla de varios bifenilos policlorados (PCB) peligrosos , que son contaminantes orgánicos persistentes , altamente tóxicos y cancerígenos . [50] [51]
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