¿Cómo funciona una bomba de diafragma?

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Las bombas de vacío de diafragma son bombas de desplazamiento de oscilación. Pertenecen a la familia de bombas de vacío de transferencia de gas. Conforme al rango que ofrecen, se las considera de vacío primario. Son importantes en laboratorios donde se necesita una presión de apenas unos pocos milibares, lo que hace sean utilizadas en laboratorios químicos para procesos farmacéuticos o médicos, entre otras aplicaciones.

Principio de funcionamiento

Las bombas de vacío de diafragma son bombas de vacío de compresión en seco de una o varias etapas (se fabrican bombas de diafragma que tienen hasta cuatro etapas). En ellas se tensa la circunferencia de un diafragma entre la cabeza de una bomba y la pared de la carcasa (Fig. 2.1). Se mueve de forma oscilante por medio de una biela y un excéntrico. La cámara de bombeo o de compresión, cuyo volumen aumenta y disminuye periódicamente, afecta a la acción de bombeo. Las válvulas están dispuestas de tal manera que durante la fase en la que aumenta el volumen de la cámara de bombeo, se abre a la línea de admisión. Durante la compresión, la cámara de bombeo está conectada a la línea de escape. El diafragma proporciona un sellado hermético entre la cámara de engranajes y la cámara de bombeo para que permanezca libre de aceite y lubricantes (bomba de vacío de compresión en seco). El diafragma y las válvulas son los únicos componentes que entran en contacto con el medio que se vaya a bombear. El recubrimiento de PTFE (Teflon) del diafragma y la fabricación de las válvulas de admisión y escape con un elastómero altamente fluorado (como en el caso de las DIVAC de Leybold) permite bombear gases y vapores agresivos, lo que las hace indicadas para aplicaciones de vacío en laboratorios químicos.

Fig. 2.1: Esquema del diseño de una etapa de una bomba de diafragma

1) Tapa de la carcasa 2) Válvulas 3) Tapa 4) Disco de diafragma 5) Diafragma 6) Disco de soporte del diafragma 7) Biela 8) Disco excéntrico

Ventajas de las bombas de diafragma

En los últimos tiempos las bombas de diafragma han ido adquiriendo cada vez más importancia, principalmente por cuestiones medioambientales. Son alternativas a las bombas de vacío eyectoras de agua, gracias a que no producen aguas residuales. En general, una bomba de vacío de diafragma puede reducir el coste de uso en hasta un 90 % en comparación con una de chorro de agua. Si, por otro lado, se las compara con las bombas de paletas rotativas, se observa que la cámara de bombeo de las bombas de diafragma está totalmente exenta de aceite. Gracias a su diseño, no se necesitan retenes sumergidos en aceite.

Limitaciones de las bombas de diafragma

Como consecuencia de la deformabilidad elástica limitada del diafragma, solo se obtiene una velocidad de bombeo relativamente bajo. Conforme a este principio de bombeo, queda un volumen situado en el punto muerto superior (el denominado "espacio muerto") desde el que los gases no pueden alcanzar la línea de escape. La cantidad de gas que permanece a la presión de escape se expande por el interior de la cámara de bombeo en expansión durante la posterior carrera de aspiración. De esta forma, la rellena, y la presión de admisión reduce la cantidad de gas nuevo cada vez más, lo que motiva el empeoramiento continuo de la eficiencia volumétrica. Las bombas de vacío de diafragma no son capaces de alcanzar una relación de compresión mayor que aquella existente entre el "espacio muerto" y el volumen máximo de la cámara de bombeo. En las bombas de vacío de diafragma de una etapa puede alcanzarse una presión aproximada de 80 mbar. Las bombas de dos etapas, como la DIVAC de Leybold, puede llegar hasta los 10 mbar (véase la Fig. 2.2); las de tres etapas, hasta unos 2 mbar, y las bombas de diafragma de cuatro etapas son capaces de llegar a valores aproximados de unos 5 ·10^-1 mbar.

Fig. 2.2: Principio de funcionamiento de una bomba de diafragma de dos etapas. Apertura y cierre de las válvulas, recorrido y mecanismo de bombeo durante cuatro etapas posteriores al giro de la biela (a-d)

Compatibilidad con otras bombas y aplicaciones

Las bombas de diafragma que ofrecen una presión final tan baja como las bombas de diafragma de tres pistones y las de diafragma de 4 pistones son aptas como bombas auxiliares de otras bombas turbomoleculares con etapas de arrastre molecular totalmente integradas (bombas turbomoleculares compuestas o de rango amplio). De esta forma, se obtiene un sistema de bombeo totalmente exento de aceite, lo cual es de suma importancia para los equipos de medición con sistemas de espectrómetro de masas y detectores de fugas. A diferencia de lo que ocurre con las bombas de paletas rotativas, esta combinación de bombas para detectores de fugas ofrece la ventaja de no disolver ninguna cantidad de helio de forma natural en la bomba de diafragma, con lo que se evitan posibles acumulaciones de este en el fondo. No obstante, el vacío final de una bomba de paletas rotativas sellada con aceite o una bomba scroll es notablemente mejor incluso al de las bombas de diafragma de 4 pistones.

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