La ingeniería del vacío es el campo de la ingeniería que se ocupa del uso práctico del vacío en aplicaciones industriales y científicas. El vacío puede mejorar la productividad y el rendimiento de procesos que de otro modo se llevarían a cabo a presión de aire normal, o puede hacer posibles procesos que no podrían realizarse en presencia de aire. Las técnicas de ingeniería del vacío se aplican ampliamente en el procesamiento de materiales, como el secado o filtrado, el procesamiento químico, la aplicación de recubrimientos metálicos a objetos, la fabricación de dispositivos electrónicos y lámparas incandescentes, y en la investigación científica. Los avances clave en la ciencia moderna deben sus raíces a la explotación de la ingeniería del vacío, ya sea el descubrimiento de la física fundamental utilizando aceleradores de partículas (sí, es necesario evacuar el espacio donde las partículas elementales chocan), el equipo analítico avanzado utilizado para estudiar las propiedades físicas de los materiales. o las cámaras de vacío dentro de las cuales se colocan sistemas criogénicos para ejecutar operaciones en Qubits de estado sólido para computación cuántica. La ingeniería de vacío también tiene una profunda influencia en la tecnología de fabricación.
Las técnicas de vacío varían dependiendo de la presión de vacío que se desea alcanzar. Para un vacío "aproximado", de más de 100 Pascales de presión, se pueden utilizar métodos convencionales de análisis, materiales, bombas e instrumentos de medición, mientras que los sistemas de vacío ultraalto utilizan equipos especializados para alcanzar presiones inferiores a una millonésima de un Pascal. A presiones tan bajas, incluso los metales pueden emitir suficiente gas como para causar una contaminación grave.
Los sistemas de vacío generalmente constan de medidores, bombas y chorros de vapor, trampas de vapor y válvulas junto con otras tuberías extensibles. Un recipiente que opera bajo un sistema de vacío puede ser cualquiera de estos tipos, como un tanque de procesamiento, un simulador de vapor, un acelerador de partículas o cualquier otro tipo de espacio que tenga una cámara cerrada para mantener el sistema a una presión de gas inferior a la atmosférica. Dado que se crea un vacío en una cámara cerrada, la consideración de poder soportar la presión atmosférica externa es la precaución habitual para este tipo de diseño. Además del efecto de pandeo o colapso, la cubierta exterior de la cámara de vacío se evaluará cuidadosamente y cualquier signo de deterioro se corregirá mediante el aumento del espesor de la propia cubierta. Los principales materiales utilizados para el diseño de vacío suelen ser acero dulce, acero inoxidable y aluminio. Otras secciones, como el vidrio, se utilizan para vidrios de medición, mirillas y, a veces, aislamiento eléctrico. El interior de la cámara de vacío debe estar siempre liso y libre de óxido y defectos. Generalmente se utilizan disolventes de alta presión para eliminar el exceso de aceite y los contaminantes que afectarán negativamente el vacío. Debido a que una cámara de vacío se encuentra en un espacio cerrado, sólo se pueden utilizar detergentes muy específicos para evitar riesgos o peligros durante la limpieza. Cualquier cámara de vacío siempre debe tener una cierta cantidad de puertos de acceso y visualización. Suelen tener la forma de una conexión de brida para la conexión de bombas, tuberías o cualquier otra pieza necesaria para el funcionamiento del sistema. Extremadamente importante es el diseño de la capacidad de sellado de la cámara de vacío. La propia cámara debe ser hermética para mantener un vacío perfecto. Esto se garantiza mediante el proceso de verificación de fugas, generalmente utilizando un detector de fugas mediante espectrómetro de masas . [1] Todas las aberturas y conexiones también están ensambladas con juntas tóricas y juntas para evitar posibles fugas de aire en el sistema.
La ingeniería de vacío utiliza técnicas y equipos que varían según el nivel de vacío utilizado. Se puede utilizar una presión ligeramente reducida de la presión atmosférica para controlar el flujo de aire en sistemas de ventilación o en sistemas de manipulación de materiales. Se pueden utilizar vacíos de baja presión en la evaporación al vacío en el procesamiento de productos alimenticios sin calentamiento excesivo. Los grados más altos de vacío se utilizan para la desgasificación, la metalurgia al vacío y en la producción de bombillas y tubos de rayos catódicos. Para determinados procesos de semiconductores se necesitan los llamados vacíos "ultra altos"; Los vacíos "más duros" con la presión más baja se producen para experimentos de física, donde incluso unos pocos átomos de aire perdidos interferirían con el experimento en curso.
El aparato utilizado varía al disminuir la presión. Los sopladores dan paso a varios tipos de bombas alternativas y rotativas. Para algunas aplicaciones importantes, un eyector de vapor puede evacuar rápidamente un recipiente de proceso grande a un vacío aproximado, suficiente para algunos procesos o como paso previo a procesos de bombeo más completos. La invención de la bomba Sprengel fue un paso crítico en el desarrollo de la bombilla incandescente, ya que permitió la creación de un vacío mayor que el disponible anteriormente, lo que extendió la vida útil de las bombillas. A niveles de vacío más altos (presiones más bajas), se utilizan bombas de difusión, absorción y bombas criogénicas. Las bombas se parecen más a "compresores", ya que recogen los gases enrarecidos en el recipiente de vacío y los empujan hacia un escape de presión mucho más alta y volumen más pequeño. En un sistema de vacío se puede utilizar una cadena de dos o más tipos diferentes de bombas de vacío, con una bomba de "desbaste" que elimina la mayor parte de la masa de aire del sistema y las etapas adicionales manejan cantidades relativamente menores de aire en niveles cada vez más bajos. presiones. En algunas aplicaciones, se utiliza un elemento químico para combinar con el aire que queda en un recinto después del bombeo. Por ejemplo, en los tubos de vacío electrónicos , se calentaba por inducción un "captador" metálico para eliminar el aire que quedaba después del bombeo inicial y el cierre de los tubos. El "captador" también eliminaría lentamente cualquier gas desprendido dentro del tubo durante su vida restante, manteniendo un vacío suficientemente bueno.
La tecnología de vacío es un método utilizado para evacuar aire de un volumen cerrado creando un diferencial de presión desde el volumen cerrado hasta algún respiradero, siendo el último respiradero la atmósfera abierta. [2] Cuando se utiliza un sistema de vacío industrial, una bomba o generador de vacío crea este diferencial de presión. Se crearon una variedad de inventos técnicos basados en la idea del vacío descubierta durante el siglo XVII. Estos van desde bombas de generación de vacío hasta tubos de rayos X, que luego se introdujeron en el campo médico para su uso como fuentes de radiación de rayos X. El entorno del vacío ha llegado a desempeñar un papel importante en la investigación científica a medida que se realizan nuevos descubrimientos analizando los fundamentos de la presión. La idea del “vacío perfecto” no se puede realizar, pero sí se aproxima mucho a ella gracias a los descubrimientos tecnológicos de principios del siglo XX. Hoy en día, la ingeniería de vacío utiliza una variedad de materiales diferentes, desde aluminio hasta circonio y casi todo lo demás. Puede que exista la creencia popular de que la tecnología de vacío se ocupa únicamente de válvulas, bridas y otros componentes de vacío, pero a menudo se realizan nuevos descubrimientos científicos con la ayuda de estas tecnologías de vacío tradicionales, especialmente en el ámbito de la alta tecnología. La ingeniería de vacío se utiliza para semiconductores compuestos , dispositivos de potencia, lógica de memoria y energía fotovoltaica .
Otro invento técnico es la bomba de vacío. Esta invención se utiliza para eliminar moléculas de gas de un volumen sellado, dejando así un vacío parcial. Se utiliza más de una bomba de vacío en una sola aplicación para crear un flujo fluido. El flujo fluido se utiliza para permitir un camino claro creado mediante vacío para eliminar cualquier molécula de aire que se interponga en el proceso. En este proceso se utilizará vacío para intentar crear un vacío perfecto. Un tipo de vacío como el vacío parcial puede ser causado por el uso de bombas de desplazamiento positivo . Una bomba de desplazamiento positivo es capaz de transferir carga de gas desde la entrada al puerto de salida, pero debido a su limitación de diseño, sólo puede lograr un vacío relativamente bajo. Para alcanzar un vacío mayor, se deben utilizar otras técnicas. El uso de una serie de bombas, como por ejemplo después de un bombeo rápido con una bomba de desplazamiento positivo, creará un vacío mucho mejor que usar una sola bomba. La combinación de bombas utilizadas suele estar determinada por la necesidad de vacío en el sistema. Algunas aplicaciones en las industrias química, farmacéutica, de petróleo y gas y otras industrias requieren sistemas de vacío de proceso complejos.
Los materiales para uso en sistemas de vacío deben evaluarse cuidadosamente. [3] Muchos materiales tienen un grado de porosidad que, si bien no es importante a presiones normales, admitirían continuamente pequeñas cantidades de aire en un sistema de vacío si se usaran incorrectamente. Algunos elementos, como el caucho y el plástico, desprenden gases al vacío que pueden contaminar el sistema. A niveles de vacío altos y ultra altos, incluso los metales deben seleccionarse cuidadosamente: las moléculas de aire y la humedad pueden adherirse a la superficie de los metales, y cualquier gas atrapado dentro del metal puede filtrarse a la superficie bajo el vacío. En algunos sistemas de vacío, una simple capa de grasa poco volátil es suficiente para sellar los espacios en las juntas, pero en vacío ultra alto, los accesorios deben mecanizarse y pulirse cuidadosamente para minimizar el gas atrapado. Es una práctica habitual hornear componentes de un sistema de alto vacío; a altas temperaturas se eliminan los gases y la humedad adheridos a la superficie. Sin embargo, este requisito afecta qué materiales se pueden utilizar. Para aplicaciones de baja presión, es posible posprocesar incluso plástico impreso en 3D para fabricar sistemas de vacío. [4]
Los aceleradores de partículas son los sistemas de vacío ultraalto más grandes y pueden tener hasta kilómetros de longitud. [5]
Los sistemas de vacío se han estudiado durante mucho tiempo, por lo que actualmente se estudian las propiedades de los materiales básicos utilizados en los tubos de vacío ( carbono , cerámica , cobre , vidrio , grafito , hierro , mica , níquel , metales preciosos , metales refractarios , acero y todas las aleaciones relevantes ). y bien comprendidos, incluidas sus técnicas de unión y cómo abordar problemas comunes como las emisiones secundarias y las rupturas de voltaje. [6]
La palabra "vacío" tiene su origen en la palabra latina "vacua", que se traduce como "vacío". Los físicos utilizan el vacío para describir un espacio parcialmente vacío, donde se extrae aire u otros gases de un recipiente. La idea del vacío en relación con el espacio vacío ha sido especulada ya en el siglo V por los filósofos griegos, Aristóteles (384-322 a. C.) fue quien ideó la relación del vacío, siendo un espacio vacío en la naturaleza que sería imposible de alcanzar. crear. [7] Esta idea se mantuvo durante más de siglos hasta el siglo XVII, cuando se descubrió la tecnología y la física del vacío. A mediados del siglo XVII, Evangelista Torricelli estudió las propiedades del vacío generado por una columna de mercurio en un tubo de vidrio; esto se convirtió en el barómetro , un instrumento para observar las variaciones de la presión del aire atmosférico. Otto von Guericke demostró espectacularmente el efecto de la presión atmosférica en 1654, cuando yuntas de caballos no podían separar dos hemisferios de 20 pulgadas de diámetro, que habían sido colocados juntos y evacuados. En 1698, Thomas Savery patentó una bomba de vapor que dependía de la condensación de vapor para producir un vacío de baja calidad, para bombear agua fuera de las minas. El aparato fue mejorado en el motor atmosférico Newcomen de 1712; Si bien fue ineficiente, permitió la explotación de minas de carbón que, de otro modo, se inundarían con aguas subterráneas. Durante los años 1564-1642, el famoso científico Galileo fue uno de los primeros físicos en realizar experimentos para desarrollar fuerzas medidas para desarrollar el vacío utilizando un pistón en un cilindro. Este fue un gran descubrimiento para los científicos y fue compartido entre otros. El científico y filósofo francés Blaise Pascal utilizó la idea descubierta para investigar más sobre el vacío. Los descubrimientos de Pascal fueron similares a la investigación de Torricelli, ya que Pascal utilizó métodos similares para generar vacío utilizando mercurio. Fue hasta el año 1661, cuando el alcalde de la ciudad de Magdeburgo aprovechó este descubrimiento para inventar o modernizar nuevas ideas. El alcalde Otto von Guericke creó la primera bomba de aire, modificó la idea de las bombas de agua y también modificó los manómetros. Hoy en día, la ingeniería de vacío proporciona la solución para todas las necesidades de películas finas en la industria mecánica. Este método de ingeniería se utiliza normalmente para necesidades de I+D o producción de materiales a gran escala.
El vacío se utilizó para propulsar trenes de forma experimental.
La tecnología de las bombas se estancó hasta que Geissler y Sprengle , a mediados del siglo XIX, finalmente dieron acceso al régimen de alto vacío. Esto llevó al estudio de las descargas eléctricas en el vacío, al descubrimiento de los rayos catódicos, al descubrimiento de los rayos X y al descubrimiento del electrón. El efecto fotoeléctrico se observó en alto vacío, lo que fue un descubrimiento clave que condujo a la formulación de la mecánica cuántica y gran parte de la física moderna.
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