La bomba de aire molecular de Wolfgang Gaede
En el 80 aniversario de la muerte de Wolfgang Gaede por Guido Pfefferle y Gerhard Voss
El funcionamiento interno de una bomba de aire molecular en imágenes históricas
Wolfgang Gaede falleció el 24 de junio de 1945 en Múnich. Con este artículo, los autores conmemoran el 80 aniversario de su muerte y, por primera vez, publican imágenes que revelan el funcionamiento interno de una bomba de aire molecular de los sucesores de E. Leybold.
La patente de la bomba de vacío molecular de Gaede
Oficina Imperial de Patentes [Berlín] - Patente n.o 239213 Dr. Wolfgang Gaede en Freiburg im Breisgau - Bomba de vacío rotativa - Patentada en el Imperio Alemán el 3 de enero de 1909
El título de la patente núm. 239213 puede no sonar particularmente espectacular al principio. Sin embargo, detrás del nombre “ Rotating Vacuum Pump ” se esconde un verdadero hito en la tecnología de vacío: la bomba de aire molecular.
En la especificación de patente mencionada anteriormente, Wolfgang Gaede escribe: "La bomba de aire molecular utiliza únicamente la fricción entre el gas que se bombea y una superficie sólida que se mueve rápidamente para transportar el gas. No es necesario el uso de un “fluido de sellado”, como el mercurio o el aceite. «En la terminología actual, esto significa que la bomba de aire molecular de Wolfgang Gaede fue la primera bomba de vacío de compresión en seco del mundo.
La Figura 1 [3] muestra, a la izquierda, la bomba de aire molecular construida por Leybold de acuerdo con la patente de Gaede, aquí se muestra la evacuación de un tubo de rayos X. Naturalmente, se utiliza una bomba de paletas rotativas de Leybold como bomba de vacío previo.
Principio de funcionamiento de la bomba de aire molecular
En su tesis de habilitación [1], Wolfgang Gaede introdujo el término "fricción externa de gases", que describe la interacción de las moléculas de gas con una superficie sólida que se mueve rápidamente. Su bomba de aire molecular funciona según este mismo principio. Se puede encontrar una representación esquemática del principio de funcionamiento de la bomba en la Comunicación preliminar sobre una nueva bomba de alto vacío, publicada en 1912 por el sucesor de E. Leybold [2].
La “Figura 2” incluida en [2] se reproduce en este artículo como la Figura 2. Está acompañado del texto original siguiente: "Las ranuras de profundidad b y anchura a se cortan en el cilindro A, que gira alrededor del eje a. A una distancia h ', A está encerrado por un alojamiento cilíndrico B. En un lado, un peine de láminas C, que está fijado a la carcasa B, sobresale en las ranuras». [En la Figura 1 (izquierda), el gas se transporta de n a m cuando el rotor A gira en el sentido de las agujas del reloj a alta velocidad alrededor del eje a. Se produce una pérdida no deseada en el flujo de gas cuando el gas fluye de vuelta de m a n a través del espacio entre C y A. En la realización técnica de la bomba, este espacio no debe ser, por lo tanto, superior a unos pocos cientos de milímetros de ancho.] (Para lograr el mejor alto vacío posible, el gas debe comprimirse significativamente entre la entrada de la bomba (el lado de alto vacío) y la salida (el lado de vacío previo). Esto se logra mediante el siguiente principio:] “Las ranuras individuales están conectadas en serie, de manera que la abertura m se conecta a n₁, m₁ a n₂, etc. Como resultado, la presión del gas disminuye continuamente desde los extremos del rotor hacia el centro.”
El diseño técnico de Leybold
La Figura 3 [3] muestra el diseño técnico de la bomba de aire molecular de Leybold en una sección longitudinal a lo largo del eje del rotor a. La carcasa B, mostrada sombreada en la Figura 3, soporta el conjunto superior K y está fijada a él de manera “hermética”. El rotor A, hecho de un cilindro de latón macizo, está unido de forma rígida al eje a. En el cilindro de latón se fresan ranuras D, en las que se extiende el peine de láminas C (rayado oscuro). Además, S indica la entrada de la bomba en el lado de alto vacío, mientras que H marca la polea utilizada para accionar el eje a. Cabe señalar que el verdadero secreto de la bomba reside en el conjunto superior K. Contiene un complejo sistema de canales de distribución de gas, de los que no existen dibujos ni fotografías.
Un vistazo al interior de la bomba Leybold
Para explorar el funcionamiento interno de la bomba de aire molecular, primero quitamos los cuatro tornillos que sujetan el conjunto superior K. Una vez aflojado, el conjunto se pudo levantar de la carcasa B -y nos sorprendió mucho. No había junta entre el conjunto y la carcasa, solo latón sobre latón con un poco de grasa.
La Figura 4 muestra tanto la parte inferior del conjunto superior abatido hacia atrás K como la parte superior de la carcasa B. En la Figura 6 veremos más de cerca la parte inferior de K. En la parte superior de Bse puede ver una serie de ranuras que se conectan con el interior de B y, por lo tanto, también con las ranuras del rotor. Además, el peine de láminas C está montado en la parte superior de B, alineado paralelamente al eje longitudinal de la bomba. Los orificios para los tornillos de montaje también son visibles en la Figura 4. Después de retirar los componentes E, F, G y H que se muestran en la Figura 3, pudimos extraer y medir el rotor A. Según nuestras mediciones, tiene un diámetro de 100,00 + 0,01 mm. Para demostrar la interacción entre el peine de láminas y el rotor, insertamos el peine fresado de una sola pieza de latón en las ranuras del rotor. Esto se puede ver con más detalle en la Figura 5.
Para que el mecanismo funcione como se muestra en la Figura 2, la precisión mecánica fina y la reproducibilidad en centésimas de milímetro son absolutamente esenciales. Leybold ya era capaz de alcanzar este nivel de precisión en 1912.
Con la Figura 6, que muestra la parte inferior del conjunto superior K en detalle, nos acercamos al funcionamiento interno “secreto” de la bomba de aire molecular. Utilizando un líquido de limpieza de metales, trazamos los canales internos.
Esto nos permitió seguir la compleja ruta del gas entre los lados de alto vacío (HV) y de vacío previo (FV) en detalle: la entrada del lado de alto vacío (conector HV S, arriba a la izquierda en la Fig. 6) está conectado a la posición 1 en la Fig. 6. Desde allí, el rotor transporta el gas a la posición 2 a la derecha. Esto significa que el rotor, visto desde el lado etiquetado de K (E. Leybold's Nachfolger, Coeln and Berlin, German Imperial Patent), debe girar en sentido contrario a las agujas del reloj.
A través del canal visible lleno de soldadura blanda, el gas se mueve de 2 derecha a 2 izquierda, luego a través del rotor a 3 derecha, a través de un canal en K a 3 izquierda,a través del rotor a 6 derecha, a través de un canal en K a 6 izquierda,a través del rotor a 4 derecha,a través de un canal en K a 4 izquierda, a través del rotor a 7 derecha,a través de un canal en K a 7 izquierda, a través del rotor a 5 derecha, a través de un canal en K a la izquierda 5,a través del rotor a la derecha 8 y finalmente a través de un canal en K a la izquierda 8, desde donde llega a la ranura anular (posición FV) que está conectada a la bomba de vacío previo.
Disculpe la larga explicación, pero después de 113 años tuvo que escribirse y documentarse. Así pudimos confirmar experimentalmente la afirmación de Wolfgang Gaede de que el gas se extrae del centro de la bomba. Es probable que la estructura exacta del sistema de canal interno en K solo se pueda determinar de forma no destructiva mediante rayos X. Es importante tener en cuenta que la ranura conectada a la bomba de vacío previo rodea el área interna de alto vacío en un anillo.
Este diseño garantiza que cualquier fuga de aire del entorno (1000 mbar) a la ranura (0,1 mbar) sea interceptada por la bomba de vacío previo. La diferencia de presión entre la ranura anular y la posición 1 es típicamente 10.000 veces menor que la diferencia de presión entre la atmósfera ambiente y la ranura. Como resultado, la fuga de la ranura a la posición 1 es mucho menor que la fuga del entorno a la ranura. En resumen: la ranura anular protege el área de alto vacío de las fugas de aire procedentes de la atmósfera ambiente.
Epilogue
Leybold puede considerarse afortunado de que se conserven dos bombas de aire molecular originales en el archivo de Gaede. Esta afortunada circunstancia inspiró la idea de restaurar una de las bombas a su estado de funcionamiento. Esto se ha logrado con éxito, pero aún queda trabajo por hacer para optimizar completamente el funcionamiento de la bomba.
Referencias
[1] Tesis de habilitación de Wolfgang Gaede: The External Friction of Gases University of Freiburg im Breisgau, 1912 [2] Comunicación preliminar sobre una nueva bomba de alto vacío (bomba de aire molecular) según el Dr. Gaede E. Leybold's Nachfolger, Cöln a[m] Rh[ein], 1912 [3] Lista de precios especiales no VI sobre bombas de aire molecular según el Dr. Gaede E. Leybold's Nachfolger, Cöln a[m] Rh[ein], 1912
Elaborado por:
Guido Pfefferle
Correo electrónico de prototipos y herramientas: guido.pfefferle@leybold.com
Dr. Gerhard Voss
Colonia Archive de Gaede
Correo electrónico: gerhard.voss@external.atlascopco.com
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