Una bomba turbomolecular es un tipo de bomba de vacío , superficialmente similar a una turbobomba , utilizada para obtener y mantener un alto vacío . [1] [2] Estas bombas funcionan según el principio de que a las moléculas de gas se les puede dar impulso en una dirección deseada mediante colisiones repetidas con una superficie sólida en movimiento. En una bomba turbomolecular, el rotor de un 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 palas de rotor que giran rápidamente y un par de palas de estator estacionarias . 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 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 presión del vacío previo (bomba de respaldo). A medida que las moléculas de gas entran por la entrada, el rotor, que tiene varias palas en ángulo, golpea las moléculas. De este modo, la energía mecánica de las palas se transfiere a las moléculas de gas. Con este nuevo impulso 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, finalmente conduciéndolos hacia afuera a través del escape.
Debido al movimiento relativo del rotor y el estator, las moléculas golpean preferentemente la parte 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 lo más posible hacia adelante. Para caudales elevados, 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, infinitas etapas podrían encajar 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 en el interior del eje. Radialmente, para captar la mayor cantidad de gas fino en la entrada, los rotores del lado de entrada idealmente tendrían un radio mayor y, en consecuencia, una fuerza centrífuga mayor; Las hojas ideales se volverían más delgadas hacia sus puntas. Sin embargo, debido a que la velocidad promedio de una pala afecta tanto el 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 debida 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 sólo permiten un espacio limitado entre el rotor y el estator, las palas en las etapas de alta presión están algo degeneradas en una única lámina helicoidal cada una. El flujo laminar no se puede utilizar para bombear porque las turbinas laminares se paran cuando no se utilizan con el flujo diseñado. La bomba se puede enfriar para mejorar la compresión, pero no debe estar tan fría como para condensar hielo en las palas. 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 evitarlo 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 turbobomba parada debe sincronizarse con precisión para evitar tensiones mecánicas 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 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 rodamiento 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 estabiliza a costa de hacer inestable otro eje, pero todos los ejes son neutrales y la regulación electrónica está menos estresada y será más estable dinámicamente. Se pueden utilizar sensores de efecto Hall para detectar la posición de rotación y los otros grados de libertad se pueden medir de forma capacitiva.
A presión atmosférica, el recorrido libre medio del aire es de aproximadamente 70 nm. Una bomba turbomolecular sólo puede funcionar si las moléculas golpeadas por las palas en movimiento llegan a las palas estacionarias antes de chocar con otras moléculas en su camino. Para lograrlo, el espacio entre las palas móviles y las palas estacionarias debe ser cercano o menor que el recorrido libre medio. Desde un punto de vista práctico de construcción, un espacio factible entre los juegos de palas es del orden de 1 mm, por lo que una turbobomba se detendrá (sin bombeo neto) si se expulsa 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 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 a 10 mbar. En teoría, 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 existe 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 desbaste ) que produce una presión lo suficientemente baja como para que la bomba turbomolecular funcione de manera eficiente. Normalmente, esta contrapresión está por debajo de 0,1 mbar y normalmente es de aproximadamente 0,01 mbar. La contrapresión rara vez es inferior a 10 −3 mbar (recorrido libre medio ≈ 70 mm) porque la resistencia al flujo del tubo de vacío entre la turbobomba y la bomba de desbaste 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 ultraaltos (≈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 amortiguador frente a la bomba de respaldo, evitan que cualquier sobrepresión de una bomba detenga otra bomba.
Las leyes de la dinámica de fluidos no proporcionan buenas aproximaciones al 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. Así, las moléculas pesadas se bombean de forma mucho más eficiente que las moléculas ligeras . La mayoría de los gases son lo suficientemente pesados como para bombearlos bien, pero es difícil bombear hidrógeno y helio de manera eficiente.
Un inconveniente adicional proviene de la elevada velocidad del rotor de este tipo de bomba: se necesitan cojinetes de muy alta calidad , lo que aumenta el coste.
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 las turbobombas se ha centrado en mejorar la eficacia de las etapas de arrastre. A medida que se retira gas de un espacio bombeado, los gases más ligeros, hidrógeno y helio, pasan a constituir 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 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. [ cita necesaria ] Como resultado, es posible utilizar bombas de respaldo mucho más pequeñas que las requeridas por bombas turbomoleculares puras y/o diseñar bombas turbomoleculares más compactas.
La bomba turbomolecular fue inventada en 1958 por W. Becker, basándose en las bombas de arrastre molecular más antiguas desarrolladas por Wolfgang Gaede en 1913, Fernand Holweck en 1923 y Manne Siegbahn en 1944. [3]
