La ingeniería de 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 de vacío se aplican ampliamente en el procesamiento de materiales, como el secado o filtrado, el procesamiento químico, la aplicación de revestimientos 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 de vacío, ya sea el descubrimiento de la física fundamental utilizando aceleradores de partículas (uno necesita evacuar el espacio donde se hacen colisionar las partículas elementales), el equipo analítico avanzado utilizado para estudiar las propiedades físicas de los materiales o las cámaras de vacío dentro de las cuales se colocan los sistemas criogénicos para ejecutar operaciones en cúbits de estado sólido para la computación cuántica. La ingeniería de vacío también tiene su profunda influencia en la tecnología de fabricación.
Las técnicas de vacío varían según la presión de vacío que se desee alcanzar. Para un vacío "aproximado", superior a 100 pascales, se pueden utilizar métodos de análisis, materiales, bombas e instrumentos de medición convencionales, mientras que los sistemas de vacío ultraalto utilizan equipos especializados para lograr presiones inferiores a una millonésima de pascal. A presiones tan bajas, incluso los metales pueden emitir suficiente gas como para provocar una contaminación grave.
Los sistemas de vacío suelen constar de medidores, chorros de vapor y bombas, trampas de vapor y válvulas junto con otras tuberías extensibles. Un recipiente que funciona 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 el vacío se crea en una cámara cerrada, la consideración de poder soportar la presión atmosférica externa es la precaución habitual para este tipo de diseño. Junto con el efecto de pandeo o colapso, se evaluará cuidadosamente la carcasa exterior de la cámara de vacío y cualquier signo de deterioro se corregirá mediante el aumento del espesor de la propia carcasa. 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 los indicadores de nivel, los puertos de visualización y, a veces, el aislamiento eléctrico. El interior de la cámara de vacío siempre debe ser liso y libre de óxido y defectos. Por lo general, se utilizan disolventes de alta presión para eliminar el exceso de aceite y los contaminantes que afectarán negativamente al vacío. Dado que una cámara de vacío se encuentra en un espacio cerrado, solo se pueden utilizar detergentes muy específicos para evitar cualquier peligro durante la limpieza. Toda cámara de vacío debe tener siempre una cierta cantidad de puertos de acceso y visualización. Estos suelen tener la forma de una conexión de brida para la fijación de bombas, tuberías o cualquier otra pieza necesaria para el funcionamiento del sistema. El diseño de la capacidad de sellado de la cámara de vacío es extremadamente importante. La propia cámara debe ser hermética para mantener un vacío perfecto. Esto se garantiza mediante el proceso de comprobación de fugas, generalmente utilizando un detector de fugas con espectrómetro de masas. [1] Todas las aberturas y conexiones también se ensamblan con juntas tóricas y empaquetaduras para evitar cualquier posible fuga de aire en el sistema.
La ingeniería del vacío utiliza técnicas y equipos que varían según el nivel de vacío utilizado. Se puede utilizar una presión ligeramente inferior a la atmosférica para controlar el flujo de aire en sistemas de ventilación o en sistemas de manipulación de materiales. Se pueden utilizar vacíos de menor presión en la evaporación al vacío en el procesamiento de alimentos sin calentamiento excesivo. Se utilizan grados más altos de vacío para la desgasificación, la metalurgia al vacío y en la producción de bombillas y tubos de rayos catódicos. Los llamados vacíos "ultraaltos" son necesarios para el procesamiento de ciertos semiconductores; los vacíos "más duros" con la presión más baja se producen para experimentos de física, donde incluso unos pocos átomos de aire dispersos interferirían con el experimento en curso.
Los aparatos utilizados varían con la disminución de la presión. Los sopladores dan paso a varios tipos de bombas reciprocantes y rotativas. Para algunas aplicaciones importantes, un eyector de vapor puede evacuar rápidamente un recipiente de proceso grande hasta 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 que era más alto que el disponible anteriormente, lo que extendió la vida de las bombillas. A niveles de vacío más altos (presiones más bajas), se utilizan bombas de difusión, absorción y criogénicas. Las bombas son más como "compresores", ya que recogen los gases enrarecidos en el recipiente de vacío y los empujan hacia un escape de mucho mayor presión y menor volumen. Se puede utilizar una cadena de dos o más tipos diferentes de bombas de vacío en un sistema de vacío, con una bomba "aproximada" que elimina la mayor parte de la masa de aire del sistema, y las etapas adicionales que manejan cantidades relativamente más pequeñas de aire a presiones cada vez más bajas. En algunas aplicaciones, se utiliza un elemento químico para combinarlo con el aire que queda en un recinto después del bombeo. Por ejemplo, en los tubos de vacío electrónicos , se calentaba un "captador" metálico por inducción para eliminar el aire que quedaba después del bombeo inicial y el cierre de los tubos. El "captador" también eliminaría lentamente cualquier gas que se desprendiera dentro del tubo durante su vida útil restante, manteniendo un vacío suficientemente bueno.
La tecnología de vacío es un método utilizado para evacuar el aire de un volumen cerrado mediante la creación de un diferencial de presión desde el volumen cerrado hasta algún respiradero, siendo el respiradero final 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 de vacío ha llegado a desempeñar un papel importante en la investigación científica a medida que se realizan nuevos descubrimientos al mirar hacia atrás a los fundamentos de la presión. La idea del "vacío perfecto" no se puede hacer realidad, pero casi se aproxima a los descubrimientos tecnológicos de principios del siglo XX. La ingeniería de vacío hoy en día utiliza una gama de materiales diferentes, desde aluminio hasta circonio y casi todo lo demás. Puede existir la creencia popular de que la tecnología de vacío se ocupa únicamente de válvulas, bridas y otros componentes de vacío, pero los descubrimientos científicos novedosos a menudo se hacen 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. Este invento se utiliza para extraer 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 despejado mediante el vacío para eliminar cualquier molécula de aire que se interponga en el proceso. El vacío se utilizará en este proceso para intentar crear un vacío perfecto. Un tipo de vacío como el vacío parcial puede ser causado por el uso de bombas de tipo desplazamiento positivo . Una bomba de desplazamiento positivo puede transferir la carga de gas desde la entrada hasta el puerto de salida, pero debido a su limitación de diseño, solo puede lograr un vacío relativamente bajo. Para alcanzar un vacío mayor, se deben utilizar otras técnicas. El uso de una serie de bombas, como seguir un bombeo rápido hacia abajo con una bomba de tipo desplazamiento positivo, creará un vacío mucho mejor que el uso de 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, del petróleo y el gas y otras requieren sistemas de vacío de proceso complejos.
Los materiales que se utilizan en sistemas de vacío deben evaluarse cuidadosamente. [3] Muchos materiales tienen un grado de porosidad que, si bien no es importante a presiones normales, admitiría continuamente cantidades minúsculas de aire en un sistema de vacío si se usaran incorrectamente. Algunos elementos, como el caucho y el plástico, emiten gases en el vacío que pueden contaminar el sistema. En niveles de vacío alto y ultraalto, incluso los metales deben seleccionarse con cuidado: 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 en condiciones de vacío. En algunos sistemas de vacío, una simple capa de grasa de baja volatilidad es suficiente para sellar los espacios en las juntas, pero en vacío ultraalto, los accesorios deben mecanizarse y pulirse cuidadosamente para minimizar el gas atrapado. Es una práctica habitual hornear los componentes de un sistema de alto vacío; a altas temperaturas, cualquier gas o humedad adherida a la superficie se elimina. Sin embargo, este requisito afecta a los materiales que se pueden utilizar. Para aplicaciones de baja presión, es posible realizar un posprocesamiento incluso de plástico impreso en 3D para fabricar sistemas de vacío. [4]
Los aceleradores de partículas son los sistemas de ultra alto vacío más grandes y pueden tener hasta kilómetros de longitud. [5]
Los sistemas de vacío se han estudiado durante mucho tiempo, por lo que ahora se entienden bien 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 ), incluidas sus técnicas de unión y cómo lidiar con problemas comunes como la emisión secundaria y la ruptura de voltaje. [6]
La palabra “vacío” se origina de la palabra latina “vacua”, que se traduce como la palabra “vacío”. Los físicos usan 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 se ha especulado ya en el siglo V a partir de los filósofos griegos, Aristóteles (384-322 a. C.) fue quien ideó la relación del vacío como un espacio vacío en la naturaleza que sería imposible de crear. [7] Esta idea se mantuvo durante 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 de un vacío generado por una columna de mercurio en un tubo de vidrio; esto se convirtió en el barómetro , un instrumento para observar las variaciones en la presión atmosférica del aire. Otto von Guericke demostró espectacularmente el efecto de la presión atmosférica en 1654, cuando equipos de caballos no pudieron 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 del vapor para producir un vacío de baja calidad, para bombear agua fuera de las minas. El aparato fue mejorado en el motor atmosférico de Newcomen de 1712; aunque ineficiente, permitió explotar minas de carbón que de otro modo se inundarían con agua subterránea. Durante los años de 1564 a 1642, el famoso científico Galileo fue uno de los primeros físicos en realizar experimentos para desarrollar fuerzas medidas para desarrollar 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 que se descubrió para investigar más sobre el vacío. Los descubrimientos de Pascal fueron similares a la investigación de Torricelli, ya que Pascal utilizó métodos similares para crear vacío utilizando mercurio. Fue hasta el año 1661, cuando el alcalde de la ciudad de Magdeburgo utilizó este descubrimiento para inventar o adaptar nuevas ideas. El alcalde Otto von Guericke creó la primera bomba de aire, modificó el concepto 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 película delgada 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 experimentalmente.
La tecnología de las bombas se estancó hasta mediados del siglo XIX, cuando Geissler y Sprengle finalmente dieron acceso al régimen de alto vacío. Esto condujo al estudio de las descargas eléctricas en el vacío, al descubrimiento de los rayos catódicos, de los rayos X y del electrón. El efecto fotoeléctrico se observó en el alto vacío, lo que fue un descubrimiento clave que condujo a la formulación de la mecánica cuántica y de gran parte de la física moderna.
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