¿Cómo funcionan las bombas de sorción?
Mediante el término "bombas de sorción" se hace referencia a todas aquellas disposiciones para la eliminación de gases y vapores de un espacio por medio de sorción. Mediante este proceso, las partículas de gas bombeadas se unen a las superficies o al interior de estos agentes, ya sea por fuerzas de adsorción físicas dependientes de la temperatura (fuerzas de van der Waals), quimisorción, absorción, o por integración durante el curso de la formación continua de nuevas superficies sorbentes. Comparar sus principios de funcionamiento nos permite distinguir entre bombas de adsorción, en las que la sorción de gases se produce simplemente mediante procesos de adsorción con control de la temperatura, y bombas "getter", en las que la sorción y la retención de gases son provocadas principalmente por la formación de compuestos químicos. El proceso denominado "gettering" consiste en la unión de gases a superficies puras, principalmente metálicas, que no están cubiertas por capas de óxido o carburo. Estas superficies siempre se forman durante la fabricación, la instalación o la ventilación del sistema. Las superficies de tipo "getter" de mayor pureza, principalmente metálicas, se generan de forma continua, ya sea directamente en el vacío por evaporación (bombas de evaporador), por pulverización (bombas de sputtering) o por medio de la eliminación de capa superficial pasivante del medio "getter" (metal) mediante la desgasificación de vacío, por lo que el material puro queda expuesto a este. A esta etapa se la denomina "activación" (bombas NEG; NEG significa "non evaporable getter" ["getter" no evaporable]).
Principio de funcionamiento de las bombas de adsorción
Las bombas de adsorción (véase la Fig. 2.59) funcionan conforme al principio de la adsorción física de gases en la superficie de tamices moleculares u otros materiales de adsorción (por ejemplo, Al2O3 activado). Suele utilizarse zeolita 13X como material adsorbente. Este aluminosilicato alcalino cuenta con una superficie extraordinariamente amplia para su masa, de aproximadamente 1000 m2/g de sustancia sólida. En consecuencia, posee una excelente capacidad para admitir gases.
Fig. 2.59: Sección transversal de una bomba de adsorción con el diseño.
- Puerto de admisión
- Puerto de desgasificación
- Soporte
- Cuerpo de la bomba
- Paletas conductoras térmicas
- Material de adsorción (p. ej., zeolita)
El diámetro de los poros de la zeolita 13X es de aproximadamente 13 Å, del orden del tamaño del vapor de agua, el vapor de aceite y las moléculas de gas de mayor tamaño (de alrededor de 10 Å). Suponiendo que el diámetro molecular medio es la mitad de este valor, 5 · 10-8 cm, se adsorben alrededor de 5 · 1018 moléculas en una monocapa sobre una superficie de 1 m2. Para las moléculas de nitrógeno con una masa molecular relativa mR = 28, corresponde a unos 2 · 10-4 g o 0,20 mbar · l. Por consiguiente, una superficie de adsorción de 1000 m2 es capaz de adsorber una capa monomolecular en la que se unen más de 133 mbar · l de gas.
El hidrógeno y los gases nobles ligeros, como el helio y el neón, tienen un diámetro de partícula relativamente pequeño en comparación con los 13 Å de los poros de la zeolita 13X. Por consiguiente, estos gases se adsorben de forma muy deficiente.
El efecto del calor y la presión en la adsorción de los gases
La adsorción de gases en las superficies depende no solo de la temperatura, sino también, y lo que es más importante, de la presión que actúe sobre la superficie de adsorción. La dependencia se representa gráficamente para unos pocos gases mediante las isotermas de adsorción que aparecen en la Fig. 2.60. En la práctica, las bombas de adsorción se conectan mediante una válvula al depósito que se va a evacuar. El efecto de sorción es técnicamente útil cuando el cuerpo de la bomba se sumerge en nitrógeno líquido. Debido a las diferentes propiedades de adsorción, la velocidad de bombeo y la presión final de una bomba de adsorción son diferentes para las distintas moléculas de gas: se obtienen los mejores resultados para el nitrógeno, el dióxido de carbono, el vapor de agua y los vapores de hidrocarburos. Los gases nobles ligeros apenas se bombean, porque el diámetro de las partículas es pequeño en comparación con los poros de la zeolita. A medida que el efecto de sorción disminuye con una mayor cobertura de las superficies de zeolita, la velocidad de bombeo disminuye con un número cada vez mayor de partículas ya adsorbidas. Por lo tanto, la velocidad de bombeo de una bomba de adsorción depende de la cantidad de gas que ya se haya bombeado y, por tanto, no es constante en el tiempo.
Fig. 2.60: Isotermas de adsorción de la zeolita 13X para el nitrógeno a -195 °C (-319 °F) y 20 °C (68 °F), así como para el helio y el neón a -195 °C (-319 °F).
La presión final que se puede alcanzar con las bombas de adsorción viene determinada en primer lugar por los gases presentes en el depósito al principio del proceso de bombeo y que se adsorben de forma deficiente o no se adsorben (p. ej., el neón o el helio) en la superficie de zeolita. En el aire atmosférico están presentes unas pocas partes por millón de estos gases. Por lo tanto, se pueden obtener presiones inferiores a 10-2 mbar.
Si van a producirse solamente presiones de menos de 10-3 mbar con bombas de adsorción, debe evitarse en la medida de lo posible la presencia de neón o helio en la mezcla de gases.
Después de un proceso de bombeo, la bomba debe calentarse únicamente a temperatura ambiente para que se desprendan los gases adsorbidos y la zeolita se regenere para su reutilización. Si se ha bombeado aire (o gas húmedo) que contenga una gran cantidad de vapor de agua, se recomienda secar completamente la bomba durante unas horas a 200 °C (392 °F) o más.
Para bombear depósitos más grandes, se utilizan varias bombas de adsorción conectadas en paralelo o en serie. En primer lugar, la presión se reduce desde el valor de la presión atmosférica a unos pocos milibares en la primera etapa para "captar" muchas moléculas de gas noble de helio y neón. Una vez saturadas las bombas de esta etapa, las válvulas de estas bombas se cierran y se abre una válvula previamente cerrada a una bomba de adsorción que aún contiene adsorbente limpio, de modo que esta bomba pueda bombear la cámara de vacío hasta el siguiente valor de presión inferior. Este procedimiento puede mantenerse hasta que la presión final no pueda mejorarse más al incorporar otras bombas de adsorción limpias.
¿Qué son las bombas de sublimación?
Las bombas de sublimación son bombas de sorción en las que un material getter se evapora y se deposita en una pared interior fría en forma de película "getter". En la superficie de una película de este tipo, las moléculas de gas conforman compuestos estables, que tienen una presión de vapor extraordinariamente baja. La película "getter" activa se renueva mediante evaporaciones posteriores. En las bombas de sublimación suele usarse titanio a modo de material "getter". El titanio se evapora mediante un alambre fabricado de una aleación especial con alto contenido de titanio que se calienta mediante una corriente eléctrica. Aunque en la práctica la capacidad óptima de sorción (aproximadamente un átomo de nitrógeno por cada átomo de titanio evaporado) es extraordinariamente difícil de alcanzar, las bombas de sublimación de titanio tienen una velocidad de bombeo excepcionalmente alta para gases activos, que, particularmente al iniciar procesos o en la repentina evolución de mayores cantidades de gas, se pueden bombear con gran rapidez. Puesto que las bombas de sublimación funcionan a modo de bombas auxiliares (boosters) para bombas iónicas de sputtering y bombas turbomoleculares, su instalación suele ser indispensable (a modo de estos "boosters" en bombas eyectoras de vapor; véase la página sobre bombas de difusión de aceite para obtener más información al respecto).
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Referencias
- Símbolos de vacío
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- Referencias y fuentes
Símbolos de vacío
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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
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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
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Referencias, fuentes y lecturas adicionales relacionadas con los conocimientos fundamentales sobre la tecnología de vacío
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Glosario de unidades
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Referencias y fuentes
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