La pompa dell'aria molecolare di Wolfgang Gaede
In occasione dell'80esimo anniversario della morte di Wolfgang Gaede di Guido Pfefferle e Gerhard Voss
Il funzionamento interno di una pompa dell'aria molecolare in immagini storiche
Wolfgang Gaede muore il 24 giugno 1945 a Monaco di Baviera. Con questo articolo, gli autori commemorano l'80esimo anniversario della sua morte e, per la prima volta, pubblicano immagini che rivelano il funzionamento interno di una pompa dell'aria molecolare dei successori di E. Leybold.
Il brevetto della pompa per vuoto molecolare di Gaede
Ufficio brevetti imperiale [Berlino] - Brevetto n. 239213 Dr. Wolfgang Gaede a Friburgo nel Breisgau - Pompa per vuoto rotativa - Brevettata nell'Impero tedesco il 3 gennaio 1909
Il titolo del brevetto n. 239213 potrebbe non sembrare particolarmente spettacolare all'inizio. Tuttavia, dietro il nome " Rotating Vacuum Pump " si cela una vera pietra miliare nella tecnologia del vuoto: la pompa dell'aria molecolare.
Nella suddetta specifica del brevetto, Wolfgang Gaede scrive: "La pompa dell'aria molecolare utilizza esclusivamente l'attrito tra il gas pompato e una superficie solida in rapido movimento per trasportare il gas. L'uso di un "liquido sigillante", come mercurio o olio, non è necessario. " Nella terminologia odierna, ciò significa: la pompa dell'aria molecolare di Wolfgang Gaede è stata la prima pompa per vuoto a compressione a secco al mondo.
La Figura 1 [3] mostra, a sinistra, la pompa ad aria molecolare costruita da Leybold secondo il brevetto di Gaede, qui mostrata l'evacuazione di un tubo radiogeno. Naturalmente, come pompa di prevuoto viene utilizzata una pompa rotativa a palette Leybold.
Principio di funzionamento della pompa dell'aria molecolare
Nella sua tesi di abilitazione [1], Wolfgang Gaede ha introdotto il termine "attrito esterno dei gas", descrivendo l'interazione delle molecole di gas con una superficie solida in rapido movimento. La sua pompa dell'aria molecolare funziona in base a questo principio. Una rappresentazione schematica del principio di funzionamento della pompa è disponibile nella Comunicazione preliminare su una nuova pompa per alto vuoto, pubblicata nel 1912 da E. Leybold's Nachfolger [2].
La "Figura 2" inclusa in [2] è riprodotta in questo articolo come Figura 2. È accompagnato dal seguente testo originale: "Le scanalature di profondità b e larghezza a sono tagliate nel cilindro A, che ruota attorno all'asse a. A una distanza h ', A è racchiuso da un alloggiamento cilindrico B. Su un lato, un pettine a lamelle C, che è fissato all'alloggiamento B, sporge nelle scanalature." [Nella Figura 1 (a sinistra), il gas viene trasportato da n a m quando il rotore A ruota in senso orario ad alta velocità attorno all'asse a. Una perdita indesiderata nel flusso di gas si verifica quando il gas ritorna da m a n attraverso lo spazio tra C e A. Nella realizzazione tecnica della pompa, questo spazio non deve quindi essere più largo di alcune centinaia di millimetri.] [Per ottenere il miglior alto vuoto possibile, il gas deve essere compresso in modo significativo tra l'aspirazione della pompa (lato alto vuoto) e lo scarico (lato prevuoto). Ciò avviene in base al seguente principio:] "Le singole scanalature sono collegate in serie, in modo che l'apertura m si colleghi a n₁, m₁ a n₂, ecc. Di conseguenza, la pressione del gas diminuisce continuamente dalle estremità del rotore verso il centro."
Il design tecnico di Leybold
La Figura 3 [3] mostra il design tecnico della pompa dell'aria molecolare Leybold in una sezione longitudinale lungo l'asse del rotore a. L'alloggiamento B, mostrato tratteggiato nella Figura 3, supporta il gruppo superiore K e vi è fissato in modo "ermetico". Il rotore A, realizzato in un cilindro massiccio di ottone, è collegato rigidamente all'asse a. Nel cilindro di ottone sono fresate scanalature D, in cui si estende il pettine a lamelle C (tratteggio scuro). Inoltre, S indica l'ingresso della pompa sul lato di alto vuoto, mentre H contrassegna la puleggia utilizzata per azionare l'asse a. Vale la pena notare che il vero segreto della pompa si trova all'interno del gruppo superiore K. Contiene un complesso sistema di canali di distribuzione del gas, di cui non esistono disegni o fotografie.
Uno sguardo all'interno della pompa Leybold
Per esplorare il funzionamento interno della pompa dell'aria molecolare, abbiamo prima rimosso le quattro viti che fissano il gruppo superiore K. Una volta allentato, il gruppo poteva essere sollevato dall'alloggiamento B - e siamo rimasti veramente sorpresi. Non c'era alcuna guarnizione tra il gruppo e l'alloggiamento, solo ottone su ottone con un po' di grasso.
La Figura 4 mostra sia il lato inferiore del gruppo superiore ribaltato indietro K che il lato superiore dell'alloggiamento B. Osserveremo più da vicino il lato inferiore di K nella Figura 6. Sul lato superiore di Bè possibile vedere una serie di scanalature che si collegano all'interno di Be quindi anche alle scanalature nel rotore. Inoltre, il pettine a lamelle C è montato sul lato superiore di B, allineato parallelamente all'asse longitudinale della pompa. I fori per le viti di montaggio sono visibili anche nella Figura 4. Dopo aver rimosso i componenti E, F, G e H mostrati nella Figura 3, siamo stati in grado di estrarre e misurare il rotore A. Secondo le nostre misurazioni, ha un diametro di 100,00 + 0,01 mm. Per dimostrare l'interazione tra il pettine a lamelle e il rotore, abbiamo inserito il pettine fresato da un singolo pezzo di ottone nelle scanalature del rotore. Ciò può essere visto in dettaglio nella Figura 5.
Affinché il meccanismo funzioni come mostrato nella Figura 2, la precisione meccanica fine e la riproducibilità entro centinaia di millimetri sono assolutamente essenziali. Leybold era già in grado di raggiungere questo livello di precisione nel 1912.
Con la Figura 6, che mostra in dettaglio il lato inferiore del gruppo superiore K, ci avviciniamo al funzionamento interno "segreto" della pompa dell'aria molecolare. Utilizzando un liquido detergente per metalli, abbiamo tracciato i canali interni.
Ciò ci ha consentito di seguire in dettaglio il complesso percorso del gas tra i lati di alto vuoto (HV) e di prevuoto (FV): l'ingresso sul lato di alto vuoto (connettore HV S, in alto a sinistra nella Fig. 6) è collegato alla posizione 1 nella Fig. 6. Da lì, il rotore trasporta il gas alla posizione 2 sulla destra. Ciò significa che il rotore, visto dal lato etichettato di K (E. Leybold's Nachfolger, Coeln and Berlin, German Imperial Patent), deve ruotare in senso antiorario.
Attraverso il canale visibile riempito di brasatura dolce, il gas si sposta da 2 a destra a 2 a sinistra, quindi attraverso il rotore a 3 a destra, attraverso un canale in K a 3 a sinistra, attraverso il rotore a 6 a destra, attraverso un canale in K a 6 a sinistra, attraverso il rotore a 4 a destra, attraverso un canale in K a 4 a sinistra, attraverso il rotore a 7 a destra, attraverso un canale in K a 7 a sinistra, attraverso il rotore a 5 a destra, attraverso un canale da K a 5 a sinistra, attraverso il rotore a 8 a destra e infine attraverso un canale da K a 8 a sinistra,da dove raggiunge la scanalatura anulare (posizione FV) collegata alla pompa di prevuoto.
Ci scusiamo per la lunga spiegazione, ma dopo 113 anni è stato necessario annotarla e documentarla. Pertanto, siamo stati in grado di confermare sperimentalmente l'affermazione di Wolfgang Gaede che il gas viene estratto dal centro della pompa. La struttura esatta del sistema di canali interni in K può probabilmente essere determinata solo in modo non distruttivo mediante raggi X. È importante notare che la scanalatura collegata alla pompa di prevuoto circonda l'area di alto vuoto interna in un anello.
Questo design garantisce che qualsiasi perdita d'aria dall'ambiente (1000 mbar) alla scanalatura (0,1 mbar) venga intercettata dalla pompa di prevuoto. La differenza di pressione tra la scanalatura anulare e la posizione 1 è tipicamente 10.000 volte inferiore alla differenza di pressione tra l'atmosfera ambiente e la scanalatura. Di conseguenza, la perdita dalla scanalatura alla posizione 1 è molto minore rispetto a quella dall'ambiente nella scanalatura. In sintesi: la scanalatura anulare protegge l'area ad alto vuoto dalle perdite d'aria provenienti dall'atmosfera ambiente.
Epilogo
Leybold può ritenersi fortunata che nell'archivio Gaede siano conservate due pompe d'aria molecolari originali. Questa fortunata circostanza ha ispirato l'idea di ripristinare le condizioni di funzionamento di una delle pompe. Questo è stato raggiunto con successo, ma c'è ancora molto da fare per ottimizzare completamente il funzionamento della pompa.
Riferimenti
[1] Tesi di qualificazione Wolfgang Gaede: The External Friction of Gases University of Freiburg im Breisgau, 1912 [2] Comunicazione preliminare su una nuova pompa per alto vuoto (pompa ad aria molecolare) secondo il Dr. Gaede E. Leybold's Nachfolger, Colonia a[m] Rh[ein], 1912 [3] Listino prezzi speciale n. VI sulle pompe ad aria molecolare secondo il Dr. Gaede E. Leybold's Nachfolger, Colonia a[m] Rh[ein], 1912
Redatto da:
Guido Pfefferle
Prototipazione e utensili E-mail: [email protected]
Dr. Gerhard Voss
Colonia Gaede Archive
E-mail: [email protected]
