A Bomba de Ar Molecular de Wolfgang Gaede
No 80º aniversário da morte de Wolfgang Gaede, por Guido Pfefferle e Gerhard Voss
O funcionamento interno de uma bomba de ar molecular em imagens históricas
Wolfgang Gaede faleceu em 24 de junho de 1945, em Munique. Com este artigo, os autores comemoram o 80º aniversário de sua morte e, pela primeira vez, publicam imagens que revelam o funcionamento interno de uma bomba de ar molecular pelos sucessores da E. Leybold
A patente da bomba de vácuo molecular de Gaede
Escritório Imperial de Patentes [Berlim] – Patente nº 239213 Dr. Wolfgang Gaede em Freiburg im Breisgau – Bomba de vácuo rotativa – Patenteada no Império Alemão em 3 de janeiro de 1909
O título da Patente nº 239213 pode não parecer particularmente espetacular à primeira vista. No entanto, por trás do nome 'Bomba de Vácuo Rotativa' está um verdadeiro marco na tecnologia de vácuo: a bomba de ar molecular
Na especificação da patente mencionada acima, Wolfgang Gaede escreve: 'A bomba de ar molecular utiliza exclusivamente o atrito entre o gás sendo bombeado e uma superfície sólida em rápido movimento para transportar o gás. O uso de um ‘fluido de vedação’, como mercúrio ou óleo, não é necessário.' Na terminologia atual, isso significa: a bomba de ar molecular de Wolfgang Gaede foi a primeira bomba de vácuo de compressão seca do mundo
A Figura 1 [3] mostra, à esquerda, a bomba de ar molecular construída pela Leybold de acordo com a patente de Gaede, aqui mostrada evacuando um tubo de raios X. Naturalmente, uma bomba de palhetas rotativas da Leybold é usada como bomba de pré-vácuo.
Princípio de Operação da Bomba de Ar Molecular
Em sua tese de habilitação [1], Wolfgang Gaede introduziu o termo "fricção externa de gases", descrevendo a interação de moléculas de gás com uma superfície sólida em rápido movimento. Sua bomba de ar molecular opera com base nesse mesmo princípio. Uma representação esquemática do princípio de operação da bomba pode ser encontrada na Comunicação preliminar sobre uma nova bomba de alto vácuo, publicada em 1912 por E. Leybold's Nachfolger [2].
A "Figura 2" incluída em [2] é reproduzida neste artigo como Figura 2. É acompanhado pelo seguinte texto original: "Os sulcos de profundidade b e largura a são cortados no cilindro A, que gira em torno do eixo a. A uma distância h ', A é fechado por um alojamento cilíndrico B. De um lado, um pente de lamelas C, que está fixado ao compartimento B, sobressai nas ranhuras." [Na Figura 1 (esquerda), o gás é transportado de n para m quando o rotor A gira no sentido horário em alta velocidade em torno do eixo a. Uma perda indesejada no fluxo de gás ocorre quando o gás flui de volta de m para n através do espaço entre C e A. Na realização técnica da bomba, esse espaço não deve ser maior que algumas centésimas de milímetro de largura.] [Para alcançar o melhor alto vácuo possível, o gás deve ser comprimido significativamente entre a entrada da bomba (o lado de alto vácuo) e a saída (o lado de pré-vácuo). Isso é alcançado pelo seguinte princípio:] "As ranhuras individuais são conectadas em série, de modo que a abertura m se conecte a n₁, m₁ a n₂e assim por diante. Como resultado, a pressão do gás diminui continuamente das extremidades do rotor em direção ao centro."
O design técnico da Leybold
A Figura 3 [3] mostra o projeto técnico da bomba de ar molecular da Leybold em uma seção longitudinal ao longo do eixo do rotor a. O alojamento B, mostrado sombreado na Figura 3, suporta o conjunto superior K e é preso a ele de maneira "estanca". O rotor A, feito de um cilindro sólido de latão, é conectado rigidamente ao eixo a. As ranhuras D são fresadas no cilindro de latão, no qual o pente de lamelas C (hachurado escuro) se estende. Além disso, S indica a entrada da bomba no lado de alto vácuo, enquanto H marca a polia usada para acionar o eixo a. Vale a pena notar que o verdadeiro segredo da bomba está dentro do conjunto superior K. Ele contém um sistema complexo de canais de distribuição de gás, dos quais não existem desenhos ou fotografias.
Um olhar dentro da bomba da Leybold
Para explorar o funcionamento interno da bomba de ar molecular, removemos primeiro os quatro parafusos que prendem o conjunto superior K. Uma vez solto, o conjunto pôde ser levantado do alojamento B - e ficamos verdadeiramente surpreendidos. Não havia gaxeta entre o conjunto e o alojamento, apenas latão sobre latão com um pouco de graxa.
A Figura 4 mostra tanto o lado inferior do conjunto superior rebatido para trás K como o lado superior do compartimento B. Vamos olhar mais de perto para o lado inferior de K na Figura 6. No lado superior de B, pode-se ver uma série de ranhuras que se conectam ao interior de B e, assim, também às ranhuras no rotor. Além disso, o pente de lamelas C é montado no lado superior de B, alinhado paralelamente ao eixo longitudinal da bomba. Os orifícios para os parafusos de montagem também são visíveis na Figura 4. Depois de remover os componentes E, F, G e H mostrados na Figura 3, conseguimos extrair e medir o rotor A. De acordo com nossas medições, ele tem um diâmetro de 100,00 + 0,01 mm. Para demonstrar a interação entre o pente de lamelas e o rotor, inserimos o pente moído de uma única peça de latão nas ranhuras do rotor. Isso pode ser visto com mais detalhes na Figura 5.
Para que o mecanismo funcione como mostrado na Figura 2, a precisão mecânica fina e a reprodutibilidade em centésimos de milímetro são absolutamente essenciais. A Leybold já era capaz de alcançar esse nível de precisão em 1912.
Com a Figura 6, que mostra o lado inferior do conjunto superior K em detalhe, nos aproximamos do funcionamento interno "segredo" da bomba de ar molecular. Usando um fluido de limpeza de metal, rastreamos os canais internos.
Isso nos permitiu seguir o caminho complexo do gás entre os lados de alto vácuo (HV) e pré-vácuo (FV) em detalhes: a entrada no lado de alto vácuo (conector HV S, no topo à esquerda na Fig. 6) é conectado à posição 1 na Fig. 6. A partir daí, o rotor transporta o gás para a posição 2 à direita. Isso significa que o rotor — quando visto do lado rotulado de K (E. Leybold's Nachfolger, Coeln e Berlin, German Imperial Patent) - deve girar no sentido anti-horário.
Através do canal visível preenchido com solda macia, o gás se move de 2 à direita para 2 à esquerda, então através do rotor para 3 à direita, através de um canal em K para 3 à esquerda, através do rotor para 6 à direita, através de um canal em K para 6 à esquerda, através do rotor para 4 à direita, através de um canal em K para 4 à esquerda, através do rotor para 7 à direita, através de um canal em K para 7 à esquerda, através do rotor para 5 à direita, através de um canal em K para 5 à esquerda, através do rotor para 8 à direita e, finalmente, através de um canal em K para 8 à esquerda,de onde atinge a ranhura anular (posição FV) que está conectada à bomba de vácuo preliminar.
Pedimos desculpas pela longa explicação, mas, após 113 anos, ela teve que ser escrita e documentada. Assim, conseguimos confirmar experimentalmente a afirmação de Wolfgang Gaede de que o gás é extraído do centro da bomba. A estrutura exata do sistema de canal interno em K provavelmente só pode ser determinada de forma não destrutiva usando raios X. É importante observar que a ranhura conectada à bomba de vácuo preliminar rodeia a área interna de alto vácuo em um anel.
Esse design garante que qualquer vazamento de ar do ambiente (1000 mbar) para a ranhura (0,1 mbar) seja interceptado pela bomba de vácuo preliminar. A diferença de pressão entre a ranhura anular e a posição 1 é tipicamente 10.000 vezes menor que a diferença de pressão entre a atmosfera ambiente e a ranhura. Como resultado, o vazamento da ranhura para a posição 1 é muito menor do que do ambiente para a ranhura. Em resumo: a ranhura anular protege a área de alto vácuo contra vazamentos de ar provenientes da atmosfera ambiente.
Epílogo
A Leybold pode considerar-se feliz por duas bombas de ar molecular originais serem preservadas no Arquivo Gaede. Essa circunstância feliz inspirou a ideia de restaurar uma das bombas às condições de trabalho. Isso foi alcançado com sucesso, mas ainda há trabalho a ser feito para otimizar totalmente a operação da bomba.
Referências
[1] Tese de Habilitação Wolfgang Gaede: The External Friction of Gases University of Freiburg im Breisgau, 1912 [2] Comunicação Preliminar sobre uma Nova Bomba de Alto Vácuo (Bomba de Ar Molecular) de acordo com o Dr. Gaede E. Leybold's Nachfolger, Cöln a[m] Rh[ein], 1912 [3] Lista de Preços Especiais No. VI sobre Bombas de Ar Moleculares de acordo com o Dr. Gaede E. Leybold's Nachfolger, Cöln a[m] Rh[ein], 1912
Autores:
Guido Pfefferle
E-mail de prototipagem e ferramentas: [email protected]
Gerhard Voss
Arquivo Gaede Cologne
Email: [email protected]
