Las bombas de difusión utilizan un chorro de vapor a alta velocidad para dirigir las moléculas de gas en la garganta de la bomba hacia el fondo de la bomba y hacia el escape. Fueron el primer tipo de bombas de alto vacío que funcionaron en el régimen de flujo molecular libre , donde el movimiento de las moléculas de gas se puede entender mejor como difusión que mediante la dinámica de fluidos convencional . Inventada en 1915 por Wolfgang Gaede , la denominó bomba de difusión ya que su diseño se basó en el hallazgo de que el gas no puede difundirse contra la corriente de vapor, sino que será arrastrado con ella hasta el escape. [1] Sin embargo, el principio de funcionamiento podría describirse con mayor precisión como bomba de chorro de gas , ya que la difusión también juega un papel en otros tipos de bombas de alto vacío. En los libros de texto modernos, la bomba de difusión se clasifica como una bomba de transferencia de momento .
La bomba de difusión se utiliza ampliamente tanto en aplicaciones industriales como de investigación. La mayoría de las bombas de difusión modernas utilizan aceite de silicona o éteres de polifenilo como fluido de trabajo.
A finales del siglo XIX, la mayoría de los vacíos se creaban con una bomba Sprengel , que tenía la ventaja de ser muy sencilla de manejar y capaz de lograr un vacío bastante bueno con el tiempo suficiente. Sin embargo, en comparación con las bombas posteriores, la velocidad de bombeo era muy lenta y la presión de vapor del mercurio líquido limitaba el vacío final.
Tras la invención de la bomba molecular , Wolfgang Gaede inventó la bomba de difusión en 1915 [2] y, en un principio, utilizó mercurio elemental como fluido de trabajo. Tras su invención, el diseño fue comercializado rápidamente por Leybold [3] . Luego fue mejorado por Irving Langmuir [4] y W. Crawford. Cecil Reginald Burch descubrió la posibilidad de utilizar aceite de silicona en 1928 [5].
Una bomba de difusión de aceite se utiliza para lograr un mayor vacío (presión más baja) que el que es posible con el uso de bombas de desplazamiento positivo únicamente. Aunque su uso se ha asociado principalmente dentro del rango de alto vacío, hasta 1 × 10 −9 mbar (1 × 10 −7 Pa ), las bombas de difusión actuales pueden producir presiones cercanas a 1 × 10 −10 mbar (1 × 10 −8 Pa) cuando se utilizan correctamente con fluidos y accesorios modernos. Las características que hacen que la bomba de difusión sea atractiva para el uso en vacío alto y ultraalto son su alta velocidad de bombeo para todos los gases y el bajo costo por unidad de velocidad de bombeo en comparación con otros tipos de bombas utilizadas en el mismo rango de vacío. Las bombas de difusión no pueden descargar directamente a la atmósfera, por lo que generalmente se utiliza una bomba frontal mecánica para mantener una presión de salida de alrededor de 0,1 mbar (10 Pa).
La bomba de difusión de aceite funciona con un aceite de baja presión de vapor . El chorro de alta velocidad se genera hirviendo el fluido y dirigiendo el vapor a través de un conjunto de chorro. Tenga en cuenta que el aceite es gaseoso cuando ingresa a las boquillas. Dentro de las boquillas, el flujo cambia de laminar a supersónico y molecular . A menudo, se utilizan varios chorros en serie para mejorar la acción de bombeo. El exterior de la bomba de difusión se enfría utilizando flujo de aire, líneas de agua o una camisa llena de agua. A medida que el chorro de vapor golpea la carcasa exterior enfriada de la bomba de difusión, el fluido de trabajo se condensa y se recupera y se dirige de regreso a la caldera. Los gases bombeados continúan fluyendo hacia la base de la bomba a mayor presión, fluyendo hacia afuera a través de la salida de la bomba de difusión, donde se comprimen a presión ambiente por la bomba mecánica secundaria y se agotan.
A diferencia de las bombas turbomoleculares y las criobombas , las bombas de difusión no tienen partes móviles y, como resultado, son bastante duraderas y confiables. Pueden funcionar en rangos de presión de 1 × 10 −10 a 1 × 10 −2 mbar (1 × 10 −8 a 1 Pa). Funcionan solo por convección y, por lo tanto, tienen una eficiencia energética muy baja.
Una de las principales desventajas de las bombas de difusión es la tendencia a que el aceite retroceda hacia la cámara de vacío. Este aceite puede contaminar las superficies dentro de la cámara o, al entrar en contacto con filamentos calientes o descargas eléctricas, puede generar depósitos carbonosos o silíceos. Debido al retroceso, las bombas de difusión de aceite no son adecuadas para su uso con equipos analíticos de alta sensibilidad u otras aplicaciones que requieren un entorno de vacío extremadamente limpio, pero las bombas de difusión de mercurio pueden serlo en el caso de cámaras de vacío ultraalto utilizadas para la deposición de metales. A menudo se utilizan trampas frías y deflectores para minimizar el retroceso, aunque esto produce cierta pérdida de velocidad de bombeo.
El aceite de una bomba de difusión no puede exponerse a la atmósfera cuando está caliente. Si esto ocurre, el aceite se oxida y debe reemplazarse. Si se produce un incendio, el humo y los residuos pueden contaminar otras partes del sistema.
Los aceites para bombas de difusión más económicos se basan en hidrocarburos purificados por doble destilación. En comparación con otros fluidos, tienen una presión de vapor más alta, por lo que suelen estar limitados a una presión de 1 × 10 −6 Torr (1,3 × 10 −4 Pa). También son los que tienen más probabilidades de arder o explotar si se exponen a oxidantes.
Los aceites de silicona más comunes utilizados en bombas de difusión son los trisiloxanos , que contienen el grupo químico Si-O-Si-O-Si, al que se unen varios grupos fenilo o grupos metilo . Estos están disponibles como las llamadas mezclas 702 y 703, que anteriormente eran fabricadas por Dow Corning . Estos se pueden separar aún más en aceites 704 y 705, que están compuestos de los isómeros de tetrafenil tetrametil trisiloxano y pentafenil trimetil trisiloxano respectivamente. [6]
Para bombear especies reactivas, se suele utilizar un aceite a base de éter de polifenilo . Estos aceites son el tipo de aceite para bombas de difusión más resistente a los productos químicos y al calor.
El eyector de vapor es una forma popular de bomba para la destilación al vacío y la liofilización . Un chorro de vapor arrastra el vapor que debe eliminarse de la cámara de vacío. Los eyectores de vapor pueden tener una o varias etapas, con y sin condensadores entre las etapas. Si bien tanto los eyectores de vapor como las bombas de difusión utilizan chorros de vapor para arrastrar el gas, funcionan según principios fundamentalmente diferentes: los eyectores de vapor dependen del flujo viscoso y la mezcla para bombear el gas, mientras que las bombas de difusión utilizan la difusión molecular. Esto tiene varias consecuencias. En las bombas de difusión, la presión de entrada puede ser mucho menor que la presión estática del chorro, mientras que en los eyectores de vapor las dos presiones son aproximadamente iguales. Además, las bombas de difusión son capaces de relaciones de compresión mucho más altas y no pueden descargar directamente a la atmósfera.