¿Cómo funciona una bomba turbomolecular?
El principio de las bombas moleculares, bien conocido desde 1913, consiste en que las partículas de gas que vayan a bombearse reciben un impulso en la correspondiente dirección de circulación por impacto de las superficies de un rotor que se mueven a gran velocidad. Las superficies del rotor (normalmente discoidales) conforman, junto con las superficies estáticas del estator, una serie de espacios de intervención en los que el gas se transporta al puerto auxiliar. En la primera bomba molecular de Gaede y sus modificaciones, los espacios de intervención (conductos de transporte) eran muy estrechos, lo que suponía dificultades de diseño y un elevado grado de susceptibilidad a la contaminación mecánica.
El principio de funcionamiento de una bomba turbomolecular
A finales de los años cincuenta, un diseño turbinoide y la modificación de las ideas de Gaede permitieron diseñar una bomba técnicamente viable, denominada "turbomolecular". Las separaciones entre el estator y los discos del rotor eran del orden de los milímetros a fin de obtener tolerancias notablemente más elevadas, con lo que se conseguía un grado de seguridad mayor para su uso. No obstante, solo se consigue un efecto de bombeo de cierta relevancia si la velocidad periférica (en la llanta exterior) de los álabes del rotor alcanza el orden de magnitud de la velocidad térmica media de las moléculas que vayan a bombearse. De la teoría cinética de los gases se obtiene el valor c- o de la Ecuación 1.17:
en la que se indica la dependencia del tipo de gas como función de la masa molar M. El cálculo con unidades cgs (donde R = 83,14 · 106 mbar · cm3/mol · K) se indica en la siguiente Tabla:
Tabla 2.4: c como función de la masa molar M
Mientras que la dependencia del tipo de gas que presenta la velocidad de bombeo es notablemente baja,
la dependencia de la compresión k0 a un caudal cero y, por tanto, también de la compresión k, como consecuencia de que
es mayor, como lo demuestra la relación determinada experimentalmente en la Fig. 2.55.
Ejemplo:
de la teoría se deriva que
Esto concuerda correctamente conforme a lo previsto (el orden de magnitud) con respecto al valor calculado experimentalmente de k0 (N2) = 2.0 · 108 derivado de la Fig. 2.55. A la luz de las optimizaciones de las distintas etapas de los rotores individuales que son habituales hoy en día, esta consideración ha dejado de ser correcta con respecto a la bomba en su totalidad. En la Fig. 2.56 se indican los valores obtenidos en mediciones de una unidad actual TURBOVAC 340 M.
Fig. 2.55: TURBOVAC 450: la compresión máxima k0 como función de la masa molar M
Fig. 2.56: La compresión máxima k0 de una bomba turbomolecular TURBOVAC 340 M para H2, He y N2 como función de la presión auxiliar
Vea el vídeo que aparece a continuación, con una animación del bombeo que se produce en una bomba turbomolecular
Working principle of the turbomolecular pump TURBOVAC from Leybold
Ventajas y desventajas de los tipos de rodamientos turbomoleculares
Para cumplir esta condición, se necesita de una velocidad periférica del rotor del mismo orden de magnitud que las elevadas velocidades del rotor c para las bombas turbomoleculares. Oscilan entre las 36 000 rpm en las bombas de gran diámetro (la TURBOVAC 1000) y las 72 000 rpm para rotores con diámetros más reducidos (las TURBOVAC 35/55). Como cabría esperar, estas velocidades tan altas suscitan dudas sobre cuál sería un concepto de rodamiento con el debido grado de fiabilidad. Leybold ofrece tres de ellos, cuyas ventajas y desventajas se indican a continuación:
Rodamientos lubricados con aceite
+ Buena compatibilidad con las partículas por medio del aceite lubricante circulante
- Solo se puede instalar en vertical
+ Menores necesidades de mantenimiento
Rodamientos lubricados con grasa/híbridos
+ Instalación en cualquier orientación
+ Aptos para sistemas móviles
± La refrigeración por aire basta para muchas aplicaciones
+ Lubricación de por vida (de los rodamientos)
Sin lubricantes/con suspensión magnética
+ Sin desgaste
+ Sin mantenimiento
+ Totalmente exentos de hidrocarburos
+ Bajo nivel de ruido y vibración
+ Instalación en cualquier orientación
Rodamientos de bolas de acero/rodamientos de bolas híbridos (rodamientos de bolas cerámicos):
Aun una breve interrupción de la fina película lubricante entre las bolas y las guías puede conllevar microsoldaduras en los puntos de contacto de usarse materiales del mismo tipo. Este efecto acorta la vida útil de los rodamientos. Usar materiales distintos permite en los denominados rodamientos híbridos (con guías de acero y bolas de cerámica) permite evitar el efecto de esta microsoldadura.
El concepto de rodamiento más elegante es el de la suspensión magnética. Ya en 1976 Leybold fabricaba bombas turbomoleculares con suspensión magnética: las legendarias series 550M y 560M. Por aquel entonces, se empleaba una suspensión magnética de tipo exclusivamente activo (p. ej., mediante electroimanes). Los avances en el campo de la electrónica y el uso de imanes permanentes (la suspensión magnética pasiva) derivada del "sistema KFA Jülich" permitieron una amplia expansión del concepto de suspensión magnética. En este sistema, el rotor se mantenía en una posición estable sin contacto durante su funcionamiento por acción de fuerzas magnéticas. No se necesitaba lubricante alguno. Para el apagado, hay una serie de rodamientos de contacto o emergencia ("touchdown") integrados.
Diagrama esquemático de una bomba turbomolecular
En la Fig. 2.52 se muestra un esquema seccional de una bomba turbomolecular típica. La bomba consta de un compresor axial de diseño vertical, cuya sección activa o de bombeo consta a su vez de un rotor (6) y un estator (2). Los álabes de la turbina se encuentran alrededor de las circunferencias del estator y el rotor. Cada pareja de álabes circulares de rotor-estator conforma una etapa, y el conjunto consta a su vez de multitud de estas dispuestas en serie. El gas que va a bombearse llega directamente por la abertura de la brida de admisión (1) (esto es, sin pérdida alguna de conductancia) a la zona de bombeo activa de los álabes superiores del conjunto de rotor y estator. Esta cuenta con álabes de radio particularmente prolongado como para permitir un área de admisión anular de gran tamaño. El gas capturado por estas etapas se transporta a las etapas de compresión inferiores, cuyos álabes tienen radios más cortos, donde el gas se comprime hasta el valor de contrapresión o presión de vacío primario. El rotor de la turbina (6) está montado sobre el eje de accionamiento, que se sostiene mediante dos rodamientos de bolas de precisión (8 y 11) alojados en la carcasa del motor. El eje del rotor está accionado directamente por un motor de frecuencia media alojado en el espacio de vacío previo dentro del rotor, por lo que no se necesita conducción rotativa en el eje que lleve a la atmósfera externa. Este motor recibe alimentación de un convertidor de frecuencia externo, que también lo controla; este suele ser un convertidor de frecuencia de estado sólido que garantiza un nivel sonoro muy bajo. En determinadas aplicaciones especiales (por ejemplo, en zonas expuestas a la radiación) se emplean convertidores de frecuencia de alternador de motor.
Fig. 2.52: Diagrama esquemático de una bomba turbomolecular TURBOVAC 151 lubricada con grasa.
- Brida de entrada de alto vacío
- Conjunto del estator
- Brida de ventilación
- Brida de vacío previo
- Protector contra astillas
- Rotor
- Carcasa de la bomba
- Rodamientos de bolas
- Conexión de agua de refrigeración
- Motor trifásico
- Rodamientos de bolas
La disposición vertical de rotor y estator proporciona condiciones de circulación óptimas del gas en la zona de admisión. Para garantizar un funcionamiento sin vibraciones a regímenes de rotación elevados, la turbina se equilibra de forma dinámica en dos niveles durante el montaje.
Velocidad de bombeo de las bombas turbomoleculares
Las características de velocidad de bombeo (caudal volumétrico) de las bombas turbomoleculares se muestran en la Fig. 2.53. La velocidad de bombeo permanece constante en todo el rango de presión de trabajo. Disminuye a presiones de entrada superiores a 10-3 mbar, ya que este valor umbral marca la transición de la región de circulación molecular a la región de circulación viscosa laminar de los gases. En la Fig. 2.54 se indica asimismo que la velocidad de bombeo depende del tipo de gas.
Fig. 2.53: Velocidad de bombeo de aire de diferentes bombas turbomoleculares
Fig. 2.54: Curvas de velocidad de bombeo de una TURBOVAC 600 para H2, He, N2 y Ar
Relación de compresión de las bombas turbomoleculares
La relación de compresión (a menudo también denominada simplemente compresión) de las bombas turbomoleculares es la relación entre la presión parcial de un componente de gas en la brida de vacío previo de la bomba y la de la brida de alto vacío: la compresión máxima k0 se obtiene a un caudal cero. Por motivos físicos, la relación de compresión de las bombas turbomoleculares es muy alta para las moléculas pesadas, pero considerablemente inferior para las ligeras. La relación entre la compresión y la masa molecular se indica en la Fig. 2.55. En la Fig. 2.56 se muestran las curvas de compresión de una TURBOVAC 340 M para N2, He y H2 como una función de la contrapresión. Dada la alta relación de compresión de las moléculas de hidrocarburos pesados, las bombas turbomoleculares se pueden conectar directamente a una cámara de vacío sin la ayuda de uno o más deflectores o trampas refrigerados y sin el riesgo de que se produzca una presión parcial medible para los hidrocarburos en la cámara de vacío (vacío exento de hidrocarburos); véase también la Fig. 2.57, donde se indica el espectro de gas residual encima de una TURBOVAC 361). Puesto que la presión parcial de hidrógeno alcanzada por la bomba rotativa auxiliar es muy baja, la bomba turbomolecular es capaz de alcanzar presiones definitivas del rango de los 10-11 mbar a pesar de su compresión bastante moderada para H2. Para producir presiones tan bajas, como no cabe duda, será necesario respetar estrictamente las normas generales de la tecnología de ultra alto vacío (UHV): la cámara de vacío y la parte superior de la bomba turbomolecular deben secarse en horno y es obligatorio usar juntas metálicas. A presiones muy bajas, el gas residual se compone principalmente de H2 procedente de las paredes metálicas de la cámara. En el espectro de la Fig. 2.57 se observa la composición del gas residual delante de la admisión de una bomba turbomolecular a una presión final de 7 · 10-10 mbar equivalente en nitrógeno. Parece que la porción de H2 de la cantidad total de gas es de aproximadamente entre el 90 % y el 95 %. La fracción de moléculas "más pesadas" se ha reducido significativamente y no se han detectado masas superiores a 44. Un criterio importante para la evaluación de la calidad de un espectro de gas residual son los hidrocarburos medibles de los lubricantes empleados en el sistema de bombeo de vacío. Como cabría esperar, solo es posible producir un "vacío totalmente exento de hidrocarburos" con sistemas de bombeo sin lubricantes, por ejemplo, con bombas turbomoleculares de suspensión magnética y bombas auxiliares de compresión en seco. Si se utilizan debidamente (esto es, si se ventilan durante las paradas de todo tipo), tampoco puede detectarse ningún hidrocarburo en el espectro de las bombas turbomoleculares normales.
Fig. 2.57: Espectro por encima de una TURBOVAC 361.
M = Número de masa = Masa molar relativa en una ionización 1
I = Corriente iónica
Otros tipos de bombas turbomoleculares
Otro avance de la bomba turbomolecular es la bomba turbomolecular híbrida o compuesta. En realidad, se trata de dos bombas situadas en un eje común y alojadas en una única carcasa. La etapa de alto vacío correspondiente a la región de circulación molecular es una bomba turbomolecular clásica; la segunda bomba, para el rango de la circulación viscosa, es una bomba de arrastre molecular o de fricción.
Leybold fabrica bombas con una etapa Holweck integrada (compresor de tornillo) como la TURBOVAC 55 y, por ejemplo, las HY. CONE 60 y HY. CONE 200, que incorporan una etapa Siegbahn (compresor scroll). La presión de respaldo necesaria alcanza un valor de unos pocos mbar, por lo que la bomba auxiliar solo necesita comprimir de aproximadamente 5 a 10 mbar hasta la presión atmosférica. En la Fig. 2.52a se muestra una vista de sección de una HY. CONE.
Fig. 2.52a: Sección transversal de una bomba turbomolecular HY. CONE.
- Puerto de vacío
- Brida de alto vacío
- Rotor
- Estator
- Rodamiento
- Motor
- Ventilador
- Rodamiento
Cómo usar bombas turbomoleculares con una bomba auxiliar
Como norma general, las bombas turbomoleculares deben ponerse en marcha junto con la bomba auxiliar para reducir el retorno de aceite a la cámara de vacío procedente de la bomba auxiliar. Retardar la puesta en marcha de la bomba turbomolecular tiene sentido en caso de tratarse de conjuntos de bombeo de respaldo de envergadura bastante reducida y de cámaras de vacío de gran tamaño. A una velocidad de bombeo conocida de la bomba auxiliar SV (m3/h) y un volumen conocido de la cámara de vacío (m3), es posible calcular de forma estimada la presión de activación de la bomba turbomolecular.
Arranque simultáneo cuando
2.24a
y arranque retardado cuando
2.24b
a una presión de activación de:
2.24c
Arranque simultáneo cuando
y arranque retardado cuando
a una presión de activación de:
(2.24)
En caso de evacuar volúmenes altos, también es posible calcular la presión de activación de las bombas turbomoleculares con ayuda del diagrama de la Fig. 2.58.
Fig. 2.58: Cálculo de la presión de activación de bombas turbomoleculares para la evacuación de depósitos grandes
Prevención de la retrodifusión en bombas turbomoleculares mediante ventilación
Después de apagarlas o en caso de un corte del suministro eléctrico, las bombas turbomoleculares deben ventilarse siempre para evitar la retrodifusión de hidrocarburos desde el lado de vacío previo hacia la cámara de vacío. Después de apagar la bomba, también debe desconectarse el suministro de agua de refrigeración para evitar la posible condensación de vapor de agua. Para proteger el rotor, se recomienda respetar los tiempos de ventilación (mínimos) indicados en las instrucciones de uso. La bomba debe ventilarse (excepto en el caso de usar barrera de gas) por la brida de ventilación que ya incorpora un estrangulador metálico sinterizado, por lo que la ventilación se puede llevar a cabo mediante una válvula normal o una válvula de ventilación por fallo de suministro eléctrico.
Uso de barrera de gas
En las bombas con mecanismo de barrera de gas, es posible aplicar un gas inerte (como el nitrógeno seco) mediante una brida especial para proteger la zona del motor y los rodamientos de sustancias agresivas. Una barrera de gas especial con válvula de venteo dosifica la cantidad necesaria de gas de barrera y también puede hacer las veces de válvula de ventilación.
Reducción de las vibraciones
Las bombas TURBOVAC están equilibradas con precisión y pueden conectarse directamente al aparato. Solo en caso de tratarse de instrumentos muy sensibles, como microscopios electrónicos, se recomienda instalar amortiguadores de vibración que minimicen el efecto de las vibraciones. En el caso de las bombas de suspensión magnética, habitualmente bastará con una conexión directa con el aparato de vacío, dadas las vibraciones extraordinariamente reducidas producidas por estas bombas.
Para aplicaciones especiales, como el trabajo en presencia de campos magnéticos potentes, en zonas con peligro de radiación o en atmósferas con tritio, comuníquese con nuestro Departamento de ventas, que cuenta con la debida experiencia y está a su disposición en cualquier momento.
Fundamentos de la tecnología de vacío
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Referencias
- Símbolos de vacío
- Glosario de unidades
- Referencias y fuentes
Símbolos de vacío
Un glosario de símbolos comúnmente utilizados en diagramas de tecnología de vacío como representación visual de tipos y piezas de bombas en sistemas de bombeo
Glosario de unidades
Una descripción general de las unidades de medida utilizadas en la tecnología de vacío y el significado de los símbolos, así como los equivalentes actuales de las unidades históricas
Referencias y fuentes
Referencias, fuentes y lecturas adicionales relacionadas con los conocimientos fundamentales sobre la tecnología de vacío
