Los principios básicos del vacío pobre y medio
En el mundo del vacío, existen diferencias significativas entre los que se encuentran en el extremo inferior del espectro y los que ocupan los niveles más altos (es decir, alto vacío). En términos de definiciones: el vacío que oscila entre la presión atmosférica y 1 mbar se conoce como vacío “grosero”, mientras que las presiones de 1 a 10-3 mbar se conocen como vacío “medio”. Posteriormente, las definiciones de vacío pasan de alto a ultraalto (UHV) a vacío extremadamente alto (XHV) y van de 10-3 a <10-12 mbar.
Trabajo en condiciones de vacío pobre y medio
Cuando se trabaja en condiciones de vacío bajo y medio, hay una verdad fundamental que debe aceptarse: ninguna bomba satisfará todos sus requisitos o expectativas.
Por lo tanto, es imperativo enumerar los requisitos que deben cumplirse obligatoriamente, junto con aquellos que serían deseables (pero no esenciales). Sería lógico suponer que se necesita alcanzar un determinado nivel de vacío y rendimiento. A continuación, se debe tener en cuenta una serie de otros criterios, como el ruido y las vibraciones, la facilidad de mantenimiento, el capital y los costes corrientes., el tamaño (es decir, la huella) de la propia bomba, su resistencia a los golpes, su tolerancia a la intrusión de partículas y si la contaminación por aceite sería un problema.
Generación de vacío pobre y medio
En comparación con las bombas HV a XHV, los tipos de bombas empleadas para vacíos bajos y medios son bastante sencillos en términos de funcionamiento. Sin embargo, esto no es subestimar la ingeniería exacta o precisa requerida (o, de hecho, la ciencia) detrás de su operación. Además, no debe olvidarse que muchas de estas bombas se emplean como bombas previas (o de refuerzo), que se emplean para “cargar por vacío” o apoyar las bombas de vacío de nivel superior. Sin el beneficio de estas bombas de vacío previas, estas unidades de vacío más alto funcionarían, en el mejor de los casos, de forma lenta y lenta y, en el peor de los casos, no lo harían en absoluto.
Bombas de diafragma
Las bombas de diafragma funcionan en el régimen de vacío bajo. Debido a su diseño, no alcanzan relaciones de compresión altas en una sola etapa. Por lo tanto, a menudo se encuentran bombas de diafragma de dos, tres e incluso cuatro etapas. Estas configuraciones las hacen útiles como unidades compactas y respetuosas con el medio ambiente, por ejemplo, en aplicaciones de laboratorio y para bombas turbomoleculares previas (TMP). Las bombas de diafragma pueden producir un rango de funcionamiento estándar de 103 hasta el rango de mbar bajo.
Estas bombas utilizan un diafragma (que forma un lado de la cámara) que se mueve hacia atrás y hacia delante mediante una varilla. Este movimiento oscilante comprime el gas y activa las válvulas. El gas entra a través de una válvula de entrada y (cuando el diafragma retrocede), la válvula de entrada se cierra y el gas se presuriza antes de ser expulsado a través de la válvula de salida.
El diafragma y las válvulas suelen estar hechos de PTFE, lo que los hace resistentes a los agentes corrosivos y menos vulnerables a los daños por vapor. Dado que las bombas de diafragma están diseñadas para ser “secas”, proporcionan un vacío libre de hidrocarburos. Otras ventajas de las bombas de diafragma son que son fáciles de limpiar y mantener, son adecuadas para bombear muchos gases y productos químicos de laboratorio, y como no utilizan aceite, sus costes operativos y de mantenimiento son bajos.
Bombas de desplazamiento
Las bombas scroll, que tienen un rango de presión de 103 a 10-2 mbar, utilizan dos scrolls en forma de espiral de Arquímedes entrelazados para bombear o comprimir gases. Una de las espirales está fija, mientras que la otra orbita excéntricamente dentro de la cámara sin girar, lo que atrapa y comprime las bolsas de gas entre las espirales. Esto, a su vez, mueve el gas atrapado de la parte exterior (es decir, la entrada) a la parte interior (es decir, la salida) de la cámara.
SCROLLVAC (bombas scroll)
- Fuelles de acero inoxidable
- Válvula de lastre de gas
- Espiral fija
- Scroll en órbita
Las bombas scroll se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, como en instrumentos analíticos (por ejemplo, espectrometría de masas y microscopios electrónicos), donde se requiere un vacío limpio, seco y silencioso. Además, las bombas scroll se utilizan con frecuencia como bombas de refuerzo para TMP.
Las bombas scroll tienen muchas ventajas en comparación con otras bombas de vacío: la más significativa es que sus costes operativos son bajos porque no requieren aceite (lo que también las hace respetuosas con el medio ambiente). Además, sus necesidades de mantenimiento son bajas. Sin embargo, el desgaste de los sellos de la punta puede provocar la emisión de partículas.
Bombas de paletas rotativas
Las bombas de paletas rotativas que tienen un rango de 103 a 10-4 mbar son el tipo más común de bombas de vacío de desplazamiento positivo. Funcionan de la siguiente manera: un rotor desplazado (equipado con paletas que se deslizan dentro y fuera de su carcasa) gira dentro de una cámara. Las paletas, que sellan contra el interior de la cámara circular, “atrapan” una cantidad de gas que entra a través de un puerto de entrada. A medida que el rotor gira, el volumen contenido entre las paletas y la superficie interior de la cámara disminuye, por lo que la presión del gas “capturado” también aumenta, hasta que sale por el puerto de salida.
Las bombas de paletas rotativas ofrecen una excelente fiabilidad, robustez, diseño compacto y bajos costes de inversión, lo que las hace ideales para numerosas aplicaciones industriales y de recubrimiento, incluidos instrumentos analíticos, así como aplicaciones industriales e investigación y desarrollo.
Además, su rango de presión de funcionamiento las convierte en bombas previas ideales para cualquier tipo de bomba de vacío medio y alto. Mientras que el funcionamiento sellado con aceite es una desventaja para algunas aplicaciones, el uso de aceite permite mayores relaciones de compresión, un mejor comportamiento de refrigeración interna y hace que la bomba sea compatible con la suciedad, el polvo y la condensación. Por supuesto, la necesidad de realizar el mantenimiento de las bombas con regularidad (es decir, los cambios de aceite) implica mayores costes de propiedad (en comparación con las bombas en seco de un tamaño similar) y no proporcionan un vacío exento de aceite (hidrocarburos o PFPE, etc.).
Bombas de tornillo
Las bombas de tornillo, que tienen un rango de 103 a 10-2 mbar, funcionan con dos rotores de tornillo de rotación opuesta que están diseñados para girar “uno sobre el otro”, atrapando así el gas en el volumen entre los “tornillos” de sus rotores. A medida que los tornillos giran, este volumen atrapado (a medida que se desplaza hacia el puerto de salida) disminuye, lo que no solo comprime el gas, sino que lo mueve hacia la salida. Las bombas de tornillo se utilizan con frecuencia como bombas previas para bombas Roots.
Las bombas de tornillo tienen numerosas características importantes: a pesar del microespacio entre los dos tornillos giratorios, no hay piezas en contacto ni necesidad de lubricación y, como resultado, no hay contaminación del medio bombeado. Además, se elimina el desgaste del rotor, tienen una alta tolerancia a las partículas, emplean altas velocidades de bombeo y son muy eficientes gracias a la compresión interna. Sin embargo, son menos adecuadas para el bombeo de gases ligeros y no se pueden reducir a velocidades de bombeo bajas. Los costes operativos y los requisitos de mantenimiento también son relativamente bajos. Las bombas de tornillo son adecuadas para una amplia gama de aplicaciones, como hornos industriales, sistemas metalúrgicos, embalaje y recubrimiento.
Bombas Roots
Las bombas Roots, que tienen un rango de presión de 10 a 10-4 mbar, se utilizan comúnmente como bombas “booster” para mejorar la presión final y las velocidades de bombeo. Las bombas Roots emplean dos unidades de interconexión de rotación opuesta que giran dentro de una cámara. El gas entra a través de la brida de entrada y se “pinza” entre las dos unidades de rotación rápida y la pared de la cámara y, a continuación, se expulsa a través del puerto de salida.
Las ventajas de las bombas Roots son que son muy silenciosas y compactas, disfrutan de una larga vida útil, no tienen piezas en contacto y proporcionan un bombeo limpio (es decir, no hay partículas ni aceites que contaminen el sistema de vacío).
Una bomba previa multiroots que funciona junto con una bomba HV, UHV o XHV suele ser una opción más económica para lograr un alto vacío, en comparación con una bomba previa discreta de mayor tamaño debido a sus velocidades de bombeo y presiones finales mejoradas.
Las bombas Roots se utilizan con frecuencia en aplicaciones industriales (es decir, la industria láser, hornos, metalurgia, etc.) debido a sus altas velocidades de bombeo, en el espacio, investigación y desarrollo, y la fabricación de semiconductores y paneles solares.
Medición de vacío pobre y medio
Los vacíos medios y profundos suelen medirse con los llamados “manómetros directos”, que miden la presión independientemente de la composición de los gases implicados.
Los indicadores directos se dividen en dos categorías: aquellos que dependen de alguna forma de deformación mecánica, como el diafragma, el tubo de Bourdon, la resistencia piezoeléctrica o la capacitancia eléctrica; y aquellos que emplean la altura de una columna de líquido, que se conocen como indicadores “hidrostáticos”.
Los manómetros mecánicos emplean elementos metálicos internos que cambian de forma en función de la presión, con esta desviación vinculada a un calibre de aguja. Una variación de estos es el manómetro capacitivo, en el que el diafragma (que forma parte del condensador) se flexiona con el cambio de presión, lo que da como resultado un cambio de capacitancia (medible).
En cuanto a los retos asociados con la medición de las presiones, se debe recordar que las propiedades físicas de los gases cambian con la presión. Por ejemplo, la conductividad térmica y la fricción interna de los gases son tales que su uso depende de una amplia gama de factores, entre los que se incluyen: el rango de presión, los gases involucrados (que determinarán cualquier factor de corrección, la compatibilidad de los medios y el potencial de reacciones químicas), la precisión requerida, las condiciones de funcionamiento (suciedad frente a limpieza, vibraciones, temperatura, choque, posiblemente debido a la ventilación de presión, radiación y campos magnéticos) y la posición de instalación del manómetro. y cómo se debe leer (y registrar) la presión.
Detección de fugas en vacío medio y bajo
La detección de fugas, así como su eliminación, gestión y/o responsabilidad, son tan importantes en el vacío como en los sistemas presurizados. Dado que el gas es comprimible, la presión (o vacío) influye en la cantidad de la fuga que se indica en mbar.litros/seg, siendo la tasa de fuga la cantidad de gas que “sale” a través de una fuga en un determinado diferencial de presión por unidad de tiempo.
Existen varias formas generalizadas de medir las fugas, cada una de las cuales depende de la tasa de fuga detectable más baja aplicable: la prueba de burbujas; la medición de presión diferencial; la caída de presión; las pruebas de aumento de presión; el modo de olfato de helio y el modo de vacío de helio. Estos dos últimos métodos de prueba también se denominan métodos de “detección de gas trazador”. Todos los métodos se pueden utilizar en vacío medio y bajo.
La prueba de burbujas implica presurizar el sistema, untar un posible punto de fuga con jabón y ver si forma espuma, mientras que la medición de la presión diferencial implica medir la pérdida de presión durante un periodo de tiempo establecido.
Sin embargo, las pruebas de fugas más interesantes implican la prueba de “olfateo” de helio y la prueba de “vacío” de helio.
En términos sencillos, la prueba de “olfateo” de helio implica pasar una sonda de olfateo alrededor de la unidad bajo observación con el gas “olfateado” pasando a través de un espectrómetro de masas, para la identificación y medición del helio.
La prueba de olfateo tiene la ventaja de mostrar dónde se producen realmente las fugas. Sin embargo, las concentraciones de helio de 5 ppm en el aire ambiente/atmosférico hacen que sea difícil diferenciar entre una señal de fondo y una tasa de fuga muy baja.
La prueba de “vacío” de helio se suele emplear en unidades sometidas a aplicaciones HV y UHV. En términos sencillos, la unidad se coloca dentro de un recipiente y se presuriza con helio. A continuación, el gas del interior del recipiente se somete a una prueba del espectrómetro de masas y cualquier helio detectado indicará una fuga. La principal desventaja, aunque no la única, es que la unidad debe colocarse dentro de un recipiente de un tamaño adecuado. Alternativamente, el recipiente se evacua mediante el detector de fugas y el helio utilizado para “oler” externamente.
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