Bombas de difusión
Bombas de difusión
Las bombas de difusión son probablemente los mecanismos más utilizados para la creación de un alto vacío en el procesamiento industrial del vacío. También se utiliza comúnmente en la espectrometría de masas, instrumentación analítica, investigación y desarrollo, y la nanotecnología. Dado que no hay partes mecánicas móviles, bombas de difusión son extremadamente fiable y funciona prácticamente sin ruido ni vibraciones. Por la misma razón, las bombas de difusión son relativamente de bajo costo para adquirir, operar y mantener.
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
También es muy eficaz en la producción de aspiradoras 10−10 a 10−2 mbar incluso en malas condiciones en las que haya gases o gases con exceso de partículas reactivas. Una bomba de difusión es una cámara de acero inoxidable que varían de tamaño basada en la aplicación. En términos generales, el interior de la difusión de las bombas, independientemente del tamaño es el mismo y se componen de tres chorros de tamaño variable, en forma de cono de presión apilados verticalmente. El cono de apilado más bajo es el mayor y disminuye de tamaño a medida que se mueven hacia arriba que representa una forma de una flecha que apunta hacia arriba. La parte inferior de la cámara es un calentador donde el aceite de la bomba de difusión a base de silicona se calienta hasta que alcanza el estado gaseoso, por lo general entre 180-270 ° C. El gas excitado viaja hacia arriba y sale por los chorros a presión que se señalan en un ángulo hacia abajo. El vapor de tiro descendente se desplaza a la increíble velocidad de 750 millas por hora a veces rompiendo la barrera del sonido, uno mach. A medida que el gas se desplaza hacia las paredes de la cámara de la bomba, que atrapa las moléculas de aire a lo largo del camino a través de “difusión”. Como las paredes de la cámara de la bomba son por lo general refrigerado por agua, como el gas llega a las paredes de la cámara, se vuelve inmediatamente al estado líquido liberación de las moléculas de aire atrapadas en una posición inferior y al aumento de la presión de crear el vacío. El aceite gotea de vuelta a la parte inferior de la cámara de bomba donde se calienta de nuevo.
CONCLUSIÓN
En resumen, la parte superior de la cámara es donde comienza el vacío y en donde las moléculas de aire se tira en la bomba de difusión y se mueve hacia abajo en el aumento de las presiones. En la parte inferior de la bomba es una boquilla donde el aire aspirado sale de la bomba. Como la bomba de difusión en sí mismo no puede mantener una presión de salida, se requiere una prebomba adicional para mantener una presión de salida de aproximadamente 0,1 mbar. Aunque las bombas de difusión son probablemente el método más rentable de crear un alto vacío, existen limitaciones que lo hacen no es adecuado para algunas aplicaciones. Por ejemplo, respaldo de streaming puede ocurrir en la parte de atrás de la bomba de aceite gaseoso en y contamina el medio vacío. Por lo tanto, el uso de una bomba de difusión puede no ser adecuado para aplicaciones donde se requiere un ambiente de vacío limpio como cuando se utiliza un equipo analítico altamente sensible. Como bombas de alto vacío alternativas son mucho más caros, bombas de difusión son a veces todavía se utilizan con trampas frías añadidas y deflectores para prevenir la transmisión de respaldo a costa de la capacidad de bombeo ligeramente inferiores.
Un diagrama simple que muestra cómo la bomba de difusión realmente funciona
.
Construcción de una bomba de alto vacío por difusión de aceite (1ª parte).
Introducción
Las bombas de vacío rotatorias pueden conseguirse en el mercado por unos 250 euros nuevas, y bastante menos de segunda mano. Además con un poco de ingenio se puede convertir el compresor de un frigorífico para obtener vacíos no muy exigentes.
Pero cuando se trata de obtener vacíos mas altos que 50 micras, hay que optar por otras soluciones. Entre estas soluciones están las bombas de difusión, las turbo moleculares y las de adsorción. Las bombas de adsorción emplean aire o nitrógeno liquido lo cual no suele estar al alcance de los aficionados. Las bombas turbo moleculares, son imposibles de fabricar por un aficionado. Si se quiere adquirir una turbo molecular la única posibilidad es acudir a eBay pensando en gastarse mas de 1000 euros. Por supuesto que seria un milagro encontrarla en España, por ello a ese dinero habrá que sumarle portes y aduanas.
En el mercado hay algunas bombas de difusión de mercurio que pueden ser suficientemente buenas para muchos aficionados. Es una opción que no se debe descartar a priori. La bomba de simple efecto cuesta unos 110 euros y la de doble efecto 400 euros. Consultar en los fabricantes de material de vacío para tubos neón.
Cuando yo comencé a trabajar en alto vacío la única posibilidad de encontrar una bomba de este tipo era comprándola nueva. Ebay existía pero (sobretodo el americano) pero yo no lo conocía bien y los procedimientos de pago por Internet estaban en pañales. Hoy sin embargo la situación es otra.
En eBay con suerte y tiempo mirando, puede conseguirse una bomba difusora por unos 350 euros mas otros 100 de gastos. Por menos dinero se corre el riesgo de comprar basura inservible. Los chollos existen, si ves uno aprovéchalo.
Si eres un manitas y te gusta hacerte las cosas puedes fabricarte una. Eso si, necesitas torno, fresa (aunque simple) y soldadura de plata y paciencia. Si eres meticuloso y sigues mis consejos podrás fabricarte tu propia bomba difusora metálica con prestaciones equivalentes a las que venden comercialmente en España por un precio no inferior a los 1500 euros.
Vista de la bomba difusora completa. Además tienen conectada una válvula de aislamiento y unos adaptadores para conectar el medidor de vacío. Y un circuito que permite aislar la bomba.
Un poco de animo.
Cuando yo decidí fabricar mi bomba difusora tengo que confesar que nunca había visto una en directo. Las ideas para construirla las saque de catálogos, Internet, dibujos etc. También tengo que confesar que nunca había soldado acero inoxidable, por lo cual decidí hacerla en acero normal. A pesar de ello la construí, empleando como principales herramientas el sentido común y la perseverancia.
El premio fue gordo. La bomba funcionó a la primera. Y eso que empleé aceite de la bomba rotatoria. Pruebas posteriores, empleando aceite de silicona y un medidor de vacío de magnetrón invertido me permitieron alcanzar un vacío de 10 e -9 torr. Para un principiante no esta nada mal. NO?
Posteriormente tuve algunos problemillas. Se quemaba la resistencia de calefacción. Pero una vez encontrada la solución el funcionamiento ha sido totalmente satisfactorio, ya que mi bomba lleva funcionando casi tres años. Con ella he conseguido fusión D-D, sputering y he realizado muchos experimentos.
Entretanto, he visto otras bombas difusoras, también turbo moleculares. He soldado acero inoxidable con plata, también he aprendido a soldar en atmósfera de argón. He aprendido mucho sobre estanqueidad.
El diseño de la bomba original esta inspirado en la difusora Edwards EO 50/60, que esta refrigerada por aire. Tiene una capacidad de bombeo de 50 l/s
Todas estas experiencias están de alguna manera recogidas en este diseño. Por lo cual esta bomba no es exactamente la original, pero a cambio es mas fácil de construir y mas fiable a largo plazo.
Fundamento de una bomba de difusión.
Los amantes al cine bélico sin duda recordaran esas socorridas escenas en que un obús muy gordo le da a un enemigo. La cabeza, el brazo o cualquier cosa que arranque será arrastrado en la dirección del obús. Pues una bomba de difusión funciona de manera similar, salvo que en este caso los enemigos son las moléculas del gas que hay que evacuar y los obuses son las moléculas del liquido que emplea la bomba difusora en forma de vapor.
Para entender mejor esto fijémonos en la el dibujo de una bomba de difusión de mercurio, de simple efecto construida en vidrio. Consta de una cámara en la que se calienta el mercurio el mercurio a baja presión se evapora y el vapor sale a alta velocidad por el difusor. Los vapores de mercurio arrastran las moléculas del gas a extraer hacia el área de bajo vacío. Mientras tanto los gases de mercurio al chocar con las paredes de la cámara, que están refrigeradas por agua se enfrían y se condensan en gotas liquidas. El mercurio liquido y frío pasa de nuevo a la cámara de evaporación a través del sifón. El sifón además de permitir el retorno del mercurio a la cámara sirve para mantener la diferencia de presión entre la cámara de evaporación y la de condensación.
Las bombas difusoras construidas con vidrio empleando mercurio se han utilizado desde principios del siglo XX y se siguen empleando en la actualidad en algunos talleres de fabricación de tubos luminosos.
Hay que resaltar que para que funcione una bomba difusora es necesario que haya un vacío previo. El vacío previo necesario depende de la construcción de la bomba y del liquido a emplear. En la mayor parte de los casos basta con un vacío previo equivalente a 500 micras de mercurio, lo cual se consigue generalmente mediante una bomba mecánica. En otras palabras la bomba mecánica esta conectada a el conducto denominado bajo vacío.
Con una sencilla bomba difusora de vidrio es posible conseguir un vacío de 0,1 micra o menor ( 10 e-5 torr) a partir de las aproximadamente 100 micras ( 10 e -2 torr) que da una bomba mecánica.
Una bomba de este tipo construida en vidrio se puede adquirir por aproximadamente 100 euros. Las bombas de doble efecto (con dos etapas de difusión de mercurio) cuestan aproximadamente 400 euros.
Para el aficionado serio estas bombas presentan dos problemas: el vidrio y el mercurio. El problema del vidrio es evidente, es frágil, se puede romper con facilidad, es difícil hacer conexiones serias ya que es casi obligatorio emplear tubos de goma y estos tubos producen gases y fugas de vacío. Por otra parte hay que reconocer que una bomba de vidrio es preciosa sobretodo si es de doble o triple efecto.
Los problemas del mercurio son otros. El mercurio es tóxico, se alea con mucho metales, y aunque sea en pequeñas proporciones termina por invadir todos los componentes conectados a los circuitos de vacío. Esto en el caso de los fabricantes de tubos de neón no es problema ya que al final del proceso de fabricación siempre suelen introducir en el tubo una pequeña parte de mercurio para aumentar la generación de rayos ultravioleta. Pero a pesar de que estos sean graves problemas en el mercurio, la razón por la que no se suele en las bombas de difusión es otra, es que el vacío máximo esta limitado por la presión de vapor del liquido difusor y la presión de vapor del mercurio es muy alta si la comparamos con otros líquidos mas adecuados.
De hecho la presión de vapor del mercurio a 20 ºC es de solo 0,0012 torr y a 100 ºC esta presión sube hasta 0,27 torr. ( 1 atmósfera equivale a 760 torr). Como lo mas frecuente es que la toma de alto vacío de una difusora se encuentre entre 40 y 60 ºC en estas condiciones es prácticamente imposible conseguir vacíos inferiores a las 2. 10 e-3 torr salvo que empleamos trampas refrigeradas con agua o mejor con nitrógeno liquido.
Sin embargo existen muchos líquidos orgánicos, tan baratos o mas que el mercurio con presiones de vapor mucho mas bajas que el mercurio. Con aceites idénticos a los que se emplean en las bombas de difusión, pueden conseguirse vacíos del orden de 10 e -5 torr, con siliconas de precio medio 5. 10 e -7 torr y con Santovac 5 se puede llegar a los 10 e -9 torr sin necesidad de emplear trampas de nitrógeno liquido.
Algunos de estos aceites pueden ser caros, incluso legan a costar los 200 euros litro, afortunadamente una bomba difusora pequeña bien construida solo necesita entre 25 y 50 cc para funcionar lo cual significa que incluso empleando el aceite mas caro del mercado su coste no llega a superar los 10 euros. El consumo de aceite es prácticamente insignificante. Y solo después de bastantes horas de uso es necesario cambiarlo. (con un uso bastante regular yo lo cambio una vez al año). De cualquier manera, para empezar basta con emplear el mismo aceite que se emplea en la bomba mecánica. Este aceite cuesta menos de 10 euros el litro.
Vista del cuerpo de la primera bomba construida.
Conjunto de difusores de la primera bomba.
Documentos para la realización de una bomba de difusion de aceite.
Se trata de la construcción amateur, de una bomba con capacidad para alcanzar un vacío del orden de 10 e -6 torr o superior y un flujo de al menos 40 l/s. Para realizarla se necesita disponer de torno, taladro, soldadura oxi-propano o equivalente, y unas buenas habilidades mecánicas. Esta básicamente construida con acero inoxidable y aluminio. Las soldaduras se realizaran con plata aunque quien disponga de soladura MIG lo puede hacer con esta.
En estos momentos la bomba se ha realizado con éxito. Cuando se realizo se hizo con el propósito es que quien quisiera se fabricase esta bomba a la vez que lo hacia yo . Me basé en la bomba anteriormente realizada y la experiencia acumulada pero de manera mas simple y económica, hacerla en INOX ya que la anterior es de acero normal.
Pretendí que esta bomba, tenga una construcción y acabado profesional, si alguien quiere en base a este diseño hacer otra cosa mas simple allá el. Quiero decir, que yo no necesito esta bomba para nada, hice este diseño porque vi que hay mucho interés por disponer de una bomba de estas.
En su momento emplee mucho de mi tiempo en diseñar y hacer esta bomba, exclusivamente a favor de muchos aficionado que la necesitan, y emplee muchísimo mas tiempo en preparar toda la información necesaria para que se pueda fabricar la bomba, solo pido una cosa a cambio, que quien haga una de estas me lo diga, creo que me merezco la satisfacción de saber que mi trabajo no ha sido en vano.
Porque emplear acero inoxidable?
Mi anterior bomba esta construida en acero. Algunas superficies de la misma alcanzan temperaturas de mas de 200 ºC. Esto unido al ambiente de un laboratorio hace que el acero se oxide y en algunas zonas que por diseño deben ser muy finas me han aparecido poros muy difíciles de resolver a posteriori. La solución a esto es el INOX. Se que mecanizar el INOX es un coñazo, por ello recomiendo que se consigan los materiales en las dimensiones exactas que propongo ya que de esta manera el trabajo de mecanizado será mas simple.
Primer escandallo de materiales.
Tubo inox 50,8 mm diámetro exterior 47,8 interior 143 mm long. Es una medida estándar . Cuerpo
Cilindro inox 50 mm diámetro, 14 mm long. Base calefactora.
Barra perforada de inox 70 mm diámetro exterior, 50 interior, 15 mm long. En su defecto puede emplearse una loncha de inox de 70 mm diámetro 15 mm longitud. Boca.
Tubo inox, 20x18 mm, 63mm long, 1 mm pared. Conexión a baja.
Tubo inox, 15 x12 mm, 52 mm long. Conexion de cuerpo a toma de baja..
Cilindro de inox 30 mm diámetro x 25 longitud. Usos varios,.
Cilindro alu 55 mm diámetro, 40 mm long.. Cierre.
Cilindro alu 40 mm diámetro, 30 long. Calefactor.
Cilindro inox 30 mm diámetro, 50 long. Toma de baja y varios.
Barra alu, 60 x 60 x 60 mm. Refrigeración.
Cilindro alu 40 mm diámetro 70 mm long. Caldera.
Cilindro alu, 30 mm diámetro 40 mm long. Difusor y varios.
Cilindro alu 30 mm diámetro 25 long. Conexión a bomba mecánica. (opcional)
Cartucho resistencia, 150 W /220 V.
Ruptor térmico 70 grados.
Ruptor térmico, 200 grados.
Cuenco de Inox 150 mm diámetro.
Brida metálica, 40 mm diámetro.
Junta torica 45 diámetro, 5 mm grueso.
Construcción de una bomba de alto vacío por difusión de aceite (2ª parte).
A continuación se presenta un boceto en corte de la bomba, especialmente del cuerpo de la cámara que es la parte mas importante. En ese boceto falta el calefactor, la refrigeración y las tomas de entrada y salida de vacío. Reseñar que la toma de alto vació de la bomba esta hecha en el formato QF50 , mientras que la salida a la bomba mecánica es en formato QF 16. Mas adelante se darán instrucciones para adaptar la salida QF50 a otros pasos y para hacer un adaptador de QF16 a tubo de goma. Quien no desee estos pasos puede modificarlos a su antojo con un poco de ingenio. Por otra parte en el boceto a continuación no se ha incluido el sistema de refrigeración por la razón de que es posible emplear agua o aire. Parece mucho mas cómodo aire pero la verdad es que refrigerando con agua se consigue casi el doble de velocidad de aspiración y vacíos mas bajos. Para la mayor parte de los aficionados bastará con aire, pero por si acaso…
Antes de dar los planos con las cotas definitivas vamos a explicar el funcionamiento de la bomba y en especial de la caldera que es la parte más delicada del diseño.
La imagen anterior representa de manera aproximada la caldera de la bomba. El cuerpo es el cilindro de acero inoxidable de 51 mm de diámetro exterior. Ese cilindro en posición vertical está cerrado en la parte de abajo con una pieza que cumple varias funciones:
Cierra herméticamente la bomba por la parte de abajo.
Transfiere el calor producido por el calefactor a la parte central del aceite.
Soporta un gradiente de temperatura ya que mientras la parte central esta a unos 200 grados la parte del cuerpo de la bomba este a uno 70 ºC, es conveniente que la mayor parte del calor se transfiera al aceite y que se pierda la menor parte por transferencia a las pareces del cuerpo.
A esta pieza se atornilla con buen contacto térmico el calefactor eléctrico.
En esta pieza se atornilla además un eje central coaxial con el cuerpo de la bomba que servirá para fijar las cámaras de aceite y los difusores.
Como se puede ver en el dibujo, las gotas de aceite frío (amarillo), caen hacia abajo acumulándose en ese pequeño espacio hueco que hay entre las paredes de la bomba y la cámara interior. El aceite pasa al interior de la cámara mediante una serie de orificios que hay lateralmente en el fondo de la cámara. La columna de aceite del exterior configura un sifón que mantiene la adecuada diferencia de presiones entre el interior y el exterior de la cámara. El aceite del interior de la cámara se calienta y entra en ebullición saliendo el vapor a presión por los difusores situados en la parte superior de la bomba.
Mecanizado de las piezas.
Base de la caldera
El croquis anterior representa la base de la caldera. Considero que es la primera pieza que se debe hacer. El primer croquis corresponde a un corte por el diámetro.
Se parte de un cilindro de acero inoxidable de 50 mm de diámetro y de 13 mm de longitud. Primero se refrenta una superficie, se cilindran 8 mm a 35 de diámetro. Se suelta la pieza y se sujeta en el plato por la parte cilindrada a 35 se realiza un taladro a 3 mm ciego que al menos deje 2 mm sin perforar. Se cilindra de nuevo a 49 mm +- 0,1 y se rebaja el grueso de esta parte hasta que quede solo 0,7 mm. Se realizan dos perforaciones ciegas por la parte menos gruesa. Los dos orificios de la parte de abajo que servirán para fijar el calefactor se taladran a 3,5 y roscan a M4. El orificio superior que sirve para fijar los difusores se taladra con 2,5 y se rosca con M3
Partir de una rodaja de 13 mm, en caso contrario se perderá un tiempo excesivo hasta completar la pieza.
Soporte calefactor.
Se trata de una pieza de aluminio de forma cilíndrica que por una parte abraza el calefactor y por otra comunica su calor a la base de la caldera.
En el orificio de 9,5 mm, se inserta el calefactor. Este orificio debe ser hecho para que el cartucho calefactor entre de la manera mas ajustada posible para que trasmita eficientemente el calor.
Por otra parte esta pieza se atornilla a la base de la caldera, mediante dos tornillos de acero inoxidable M4x20 para a su vez trasmitir el calor a esta.
Para mejorar la conducción térmica puede emplearse pasta de silicona como la empleada para los transistores de potencia.
Construcción del Cuerpo.
El cuerpo de la bomba se realiza partiendo de 143 mm de tubo de inox de 51 mm de diámetro interior y 47,5 interior. Se han dado 3 mm de mas porque normalmente en los talleres no cortan las cosas con precisión. Este formato de tubo es estándar en el mercado. Ajustar los dos extremos del tubo para que este planos y bien cortados, y dejarlo en 140 mm mas menos 1 mm.
A continuación tienes el plano del tubo y justo encima la pieza de la toma de alto vacio.
Comenzaremos a a mecanizar el cuerpo.
En el tubo hay que hacer pocas mecanizaciones, por una parte un orificio de 14,5 mm de diámetro situado a 45 mm de la base y subir a 49 mm el diámetro interior en la base.
El orificio de 14,5 va a alojar la conexión al bajo vacío. El tubo que se va a insertar aquí tiene un diámetro de 15 mm, se hace inicialmente un poco menor para luego ajustar y que entre a presión.
La base la caldera, la pieza que se torneo en primer lugar se inserta en el inferior del tubo. Debe entrar unos tres mm para facilitar la soldadura.
Encima del dibujo del cuerpo esta representado el plano de la boca de la bomba de donde se tomara el alto vacío.
Para mecanizar esta pieza se parte de una rodaja de barra perforada de inox de 70 mm de diámetro exterior 50 mm de interior y 13 mm de longitud. Si no se tiene barra perforada se puede emplear cilindro. Evítese de cualquier manera que la longitud sea mucho mayor que 13 mm para evitar trabajos de desbaste innecesarios.
En esta arandela de cierre tiene que entrar a presión el cuerpo de la bomba. Además en ella se fijara el adaptador a la toma de alto vacío. Para ello se disponen de 6 orificios separados 60 grados roscados con M4. Los orificios deberán estar situados en la parte mas exterior en un circulo de 32 mm de radio, para dejar espacio al cierre con una junta tórica.
Mecanizar ambas piezas, pero no soldar la arandela de la boca hasta que se den instrucciones concretas que será después de haber colocado la refrigeración.
Toma de bajo vacío.
La conexión de la difusora a la bomba rotatoria se realiza mediante una toma QF16, por ello conviene para comprobar la construcción disponer de alguna terminación en este formato para asegurarse de que el dispositivo esta correcto. En caso de que no se disponga de estos componentes se recomienda posponer la soldadura de ese componente para el final.
Como se ve en el plano anterior, la toma de bajo vacío esta compuesta de un tubo vertical de INOX de 20 mm de diámetro exterior, 17 interior y 60 mm de longitud. Conviene cortarlo a 62 y ajustar y planificar los extremos a la longitud señalada ( +- 2 mm)
Este componente además de la conexión a la bomba de baja, tiene el objetivo de condensar las ultimas trazas de aceite, enfriando los gases.
El tubo tiene un orificio de 14,5 mm que se conecta al cuerpo de la bomba con un tramo de tubo horizontal. Este tubo tiene un diámetro de 15 mm y se ajustara con el torno o lima para que entre a una cierta presión que facilite su soldadura.
En la parte inferior del tubo con el torno se aumenta el diámetro unos cuatro milímetros para alojar una tapa que no tiene otro objeto que cerrar el tubo. En la parte superior se rebaja el diámetro por fuera y por dentro para encajar en la terminación QF y por el interior para que entre la arandela de centrado del formato QF.
Por ultimo el tramo horizontal que esta formado por un tubo de inox de 50 mm de longitud, 15 mm de diámetro externo y 13 de interno. Como se ha comentado, el orificio planteado es de 14,5 por lo que si el orificio sale bien, (en los tubos de paredes finas suele salir mal) el tubo no entrará. Ajustar con la lima el diámetro de orificio o con el torno unos 10 milímetros del tubo para que entre con una cierta presión y se pueda colocar de manera mas o menos fija para la soldadura.
En este momento ya se pueden soldar algunos componentes, El cuerpo de la bomba, el tubo horizontal y el tubo de baja.
Recomiendo que la soldadura se haga con las varillas Rhotman 609 con un 40 % de plata y recubiertas de fundente. Funden a 680 grados mas que suficientes para este aparato que como mucho se calentara a 250 y pocos como para deformar el inox. Esta soldadura tiene la ventaja de que si se mete en ácido nítrico se disuelve y quedan todas las piezas sueltas e impolutas. Cuando se hayan soldado estas tres piezas repasar el interior de los tubos con una lima para eliminar las partes del tubo horizontal que sobresalgan del perímetro del tubo, no dejar mas allá de 0,5 mm de exceso.
Construcción de los difusores.
Los difusores se tornean en aluminio. En total el conjunto esta formado por cuatro piezas que encajan una en la otra. Adicionalmente hay un espárrago de acero inoxidable roscado en ambos extremos y una tuerca ciega que mantiene el conjunto unido y fijado a la base de la caldera y una especia de tuerca que .
Debe empezarse a tornear la pieza mas grande y próxima a la base, partiendo de barra cilíndrica de 50 mm de diámetro. La segunda pieza también se hace con esta barra. Al tornear las sucesivas piezas procurar ajustar para que encajen con una cierta presión.
Para la salida de gases del primer difusor se harán 12 orificios de 3,5 mm y para el segundo 10 de de 2,5 mm. Marcar los centros de los orificios previamente para evitar que salgan descentrados.
Vista de los difusores desmontados.
El conjunto de difusores montados y atornillados a la base para comprobar su montaje. Aquí también se puede ver el cartucho calefactor y la pieza que lo fija a la base de la caldera.
Construcción de una bomba de alto vacío por difusión de aceite (3ª parte).
Refrigeración de la bomba.
El proceso que se lleva a cabo en el interior de una bomba es similar al de un alambique: el aceite se transforma en calor en la caldera y re convierte de nuevo en líquido en las paredes de la bomba. Para que este ciclo se repita continuamente es necesario evacuar todo el calor que genera el calefactor.
Aproximadamente el 30 % del calor se disipa a través de las paredes y del cuerpo de la bomba pero es necesario evacuar el 70% restante manteniendo la boca de la bomba la temperatura mas baja posible,
Sin ninguna duda el mejor sistema de refrigeración es hacer circular alrededor de la bomba agua del grifo, con un caudal de tan solo 3 litros /hora podremos conseguir que la boca de la bomba se mantenga a tan solo 10 grados mas alta que el agua. Como no es raro que el agua del grifo venga a 20 grados o menos la temperatura de la boca será de unos 30 grados. Si conseguimos mantener la temperatura a este valor el aceite de la bomba producirá poco reflujo y conseguiremos las mas bajas presiones posibles.
Sin embargo la refrigeración por agua es un incordio por ello se tiende a emplear refrigeración por aire forzado. En este caso por mucho que nos empeñemos no será fácil conseguir que la boca de la bomba este a menos de 40 o 50 grados, especialmente si la temperatura ambiente es de 30 ºC. Con esta temperatura casi el doble la presión mínima que alcanzara nuestra bomba será al menos tres o cuatro veces mayor que en el caso de la refrigeración por agua debido en buena parte a que la presión de vapor del aceite de difusión será mayor. De cualquier manera no asustarse con refrigeración por aire se pueden conseguir fácilmente presiones de 10 -6 milibares muy por debajo de las necesarias para la mayor parte de las aplicaciones que puede emprender un aficionado que se sitúan entre los 10-3 y los 10-1 milibares. Tres ordenes de magnitud mas baja.
Refrigeración por agua.
Si la refrigeración por agua es la mas eficaz también es la mas sencilla de construir. Solo se necesita 1 metro de tubo de cobre recocido de una luz interior de 5 o 6 mm. Mucho más, dará dificultades para doblarlo pero no afectara en absoluto al funcionamiento. Si no tenemos tubo recocido se puede partir de tubo de cobre normal y con un soplete darle un buen calentón.
Comenzar a doblar por la toma de baja presión, soldar cada tres centímetros aproximadamente haciendo presión para que el tubo este próximo a las paredes de INOX. Que a nadie se le ocurra soldar el principio y el final para dejar el tubo fijado con la esperanza de soldar los puntos intermedios después, ya que la dilatación de tubo al calentarlo lo separara de las paredes y será imposible hacerlo bien. No es imprescindible soldar todo el recorrido, con hacer una soldadura generosa de 1 cm de longitud cada 2 o 3 es suficiente.
Como se puede ver en el dibujo el agua fría entrara por el extremo de la boca de alto vacío y saldrá por el de bajo vacío.
Existen en el mercado refrigeradores de agua para las CPUs de ordenadores, posiblemente se puedan adaptar esto equipos y realizar un circuito de refrigeración por agua en ciclo cerrado. Posiblemente no se consigan obtener las temperaturas empleando agua del grifo pero serán suficientes. Asegurarse de que esos equipos son capaces de disipar al menos 100 W.
Refrigeración por aire.
Las soluciones para refrigerar por aire son varias, voy a proponer varias de ellas y al final por la que yo he optado. Seguro que hay muchas mas.
Radiadores de electrónica. Esta solución ya la emplee en la anterior bomba. Se toman dos radiadores de aproximadamente 70x70x140. En la mitad del radiador se fresan dos sectores de circulo de diámetro 50.8 mm y 20 mm de profundidad. Se asegura que abracen bien ajustados al cuerpo de la cámara. Se untan de aceite de silicona para transistores y se atornillan para que hagan buen contacto con el cuerpo de INOX. Se coloca un ventilador que fuerce la circulación de aire.
Si no se dispone de radiadores una solución parecida es tomar un cilindro de aluminio de 80 mm de diámetro y 70 de longitud.
Solución de chapas.
Se trata de conectar térmicamente siete u ocho chapas de aluminio de 100x100 mm y 1,2 mm al cuerpo de la cámara.
La imagen siguiente muestra la bomba después de haber montado las chapas durante pruebas de calefacción.
Preparación de las chapas.
Se necesitan ocho chapas de aluminio de las dimensiones que se especifican.
Para conseguir estas chapas se cortan cuadrados de aluminio de 100x100 mm de 1,2 o 1,5 de espesor. Pueden emplearse igualmente chapas de 90x90 mm. Se realiza un orificio en el centro de la chapa de 8 mm que sirve como guía y los cuatro orificios que van a servir para el paso de la varilla roscada. Se sujeta la chapa en el torno con un tornillo, tuerca y una arandela de respaldo. Se coloca una herramienta en punta aguda para perforar la chapa pero tratando de que por la parte posterior quede bastante rebaba, como se indica el dibujo.
La chapa deberá entrar en el cuerpo de la bomba bastante justa. Conviene tener un par de chapas de mas para hacer pruebas. Conviene cortar las esquinas de las chapas en forma de chaflán 4 o 5 mm.
La rebaba que queda al ser aprisionada entre las arandelas de separación mejoraran el contacto térmico con el cuerpo de INOX. Si se quiere mejorar aun mas el contacto puede aplicarse un poco de silicona de transistor o epoxi.
El conjunto esta formado por dos arandelas de fijación mas grandes, siete u ocho arandelas de separación y cuatro varillas roscadas a M4, yo las he puesto de inox pero pueden ponerse de acero galvanizado. Las chapas y las arandelas de separación son aprisionadas entre las arandelas de fijación por medio de las varillas roscadas y sus tuercas.
El dibujo a continuación representa las arandelas de fijación y de separación en corte. Para las arandelas de fijación se parte de barra de aluminio de 70 mm, se tornean a un diámetro interior de 50.8 mm cuidando de ajustarlas bien al cuerpo de la cámara. La arandela que se va a introducir primero deberá ir lo mas justa posible aunque sea con bastante esfuerzo. La arandela que va a ir cercana a la toma de alto vació deberá ir justa pero no excesivamente, se deberá poder introducir con la mano.
Para realizar las arandelas de separación lo mejor es partir de tubo de aluminio de 55 mm exterior y 50 mm interior. Tornearlo para un diámetro interior de 50,8 y cortarlo en rodajas de 7 mm. Estas arandelas deberán entras suavemente pero sin holguras. Si no se puede disponer de tubo de aluminio se pueden conseguir torneando cilindro de aluminio de 55 mm de diámetro.
Montaje del refrigerador.
Antes de montar el refrigerador deben estas soldados los tubos horizontal y vertical y la toma de bajo vacío. Asegurarse bien de que no hay fugas, para ello las soldaduras deben estar generosamente recubiertas especialmente en los ángulos, ya que los dos ángulos son los lugares mas probables para la existencia de poros. Solo cuando se este convencido de que no hay poros proceder al montaje de las aletas.
Con la lima o la piedra esmeril achaflanar el borde superior del cuerpo para que entren las arandelas y chapas. Introducir la primera arandela de fijación cuidando que los orificios para los espárragos de apriete quedan uniformemente situados a cada lado del tubo horizontal. Cuidar de que no se someten las soldaduras a presión que pueda abrir poros. A continuación introducir una aleta con la rebaba hacia arriba. Seguir con una arandela de separación y así sucesivamente hasta completar el conjunto.
Ir cuidando de situar todos los orificios alineados. Introducir los espárragos y por ultimo la segunda arandela de fijación. Colocar arandelas y tuercas y aprisionar el conjunto apretando las tuercas de los espárragos. Facilitar la compresión utilizando el tornillo de banco aprisionado ente las arandelas de fijación en diferentes posiciones. Deberá dejarse suficiente espacio en la boca del tubo para soldar el acoplamiento de alto vacío.
Vista del subconjunto con las arandelas colocadas.
Construcción de una bomba de alto vacío por difusión de aceite (4ª parte).
Ensamblado de la bomba.
Una vez hayamos colocado y atornillado perfectamente el conjunto refrigerado procederemos a completar el cuerpo de la cámara.
Insertar la arandela de alta, sin llegar a enrasarlos (dejando hasta 1 mm). Soldar con plata, primero dar una pasada de soldadura un poco escasa y calentar bien para que la soldadura entre por capilaridad en las grietas. Después aplicar una segunda capa mas generosa que se extienda uniformemente. No calentar excesivamente para evitar quemar la soldadura.
Cuando todavía este suficientemente caliente aplicar un paño humedecido a los lugares en que hay fundente para que se desprenda. No enfriar el resto solo lo imprescindible para eliminar el fundente. Comprobar que la soldadura ha quedado completa, limpia, uniforme y sin poros.
Soldar el resto de las piezas con el mismo criterio. El la base de de la cámara la soldadura debe aplicarse al punto de unión con las paredes del tubo.
Eliminar todo los restos de fundente, lijar o aplicar con el dremel un cepillo de alambre pala dejar todas las superficies limpias y brillantes. Prestar especial cuidado a que las superficies de cierre de las tomas de vacío estén planas, limpias y semipulidas, sin rayones aparentes.
Introducir el calefactor en su pieza adaptadora previamente untado en silicona termoconductora. Aplicar silicona también a la base calefactora colocar ambas piezas y fijar mediante tornillos INOX M4 y sus correspondientes arandelas.
Es importante que las piezas queden bien fijadas para una buena transferencia de calor, ya que en caso contrario la vida del calefactor se vera afectada.
Desengrasar bien el interior de la cámara. Para ello colocar provisionalmente el cuerpo de la cámara boca arriba, llenarlo con agua y un poco de un detergente agresivo como el empleado en los fregaplatos. Conectarlo a la red y esperar hasta que hierva unos minutos. Repetir la operación con agua del grifo y luego enjuagar con agua fria.
Nota: La resistencia calefactora es de 150 w. El modelo usado es la referencia 837-587, con unas dimensiones de 9,53 x 50,8 mm. Puede adaptarse cualquier otro calefactor de 150 w de potencia.
Conexión a alto vacío. Como se ha comentado, bomba termina e la boca de alto vacío en una boca plana que se atornilla a un adaptador a un formato estándar para conexiones de alto vacío. En mi caso lo he adaptado al formato QF40,. También se da un dibujo para adaptarlo al formato QF25, pero con ligeras modificaciones puede adaptarse a cualquier otro formato, aunque se recomienda que sea de la mayor luz posible para no limitar la capacidad de aspiración de la bomba.
Esta pieza tiene también el objetivo de obstaculizar que los vapores del aceite de la difusora salgan hacia fuera (backstreaming).
Adaptador de salida.
Comprobar que la bomba no tiene fugas.
Antes de seguir conviene comprobar concienzudamente que la bomba no tiene fugas, para ello colocar una junta tórica de 45 mm x 3,2 ligeramente aceitada en el cierre de la cámara y adaptador de la toma de alto vacío, introducirlo en la boca y colocar seis tornillos inox M4 y sus correspondientes arandelas. Apretar hasta que se vea que el cierre es firme sin llegar a aplastar completamente la junta tórica.
Colocar en la salida el anillo de centrado, cierre y collarín que se haya elegido y fijarlo. Conectar la bomba de vacío a la toma de baja. En una parte del circuito deberá haber un medidor de vacío.
Poner la bomba rotatoria en marcha, al principio subirá el vacío rápidamente, después ira mas lentamente mientras se desprenden gases y otros restos que pueden quedar adheridos a las paredes de la bomba.
Pasados unos 20 minutos el vacío deberá aproximarse al máximo de la bomba. Si no se consigue esto se debe a la existencia de fugas. Buscar las fugas y resolverlas. Las zonas mas propensas a las fugas están en las tomas de vacío y en las soldaduras en ángulo.
Si estimamos que no tiene fugas conectar la resistencia calefactora durante 3 minutos, no mas, ya que al no tener aceite pude quemarse la resistencia o sobrecalentarse las soldaduras. Al principio caerá el vacío por el desprendimiento de gases pero después de un tiempo volverá a la situación normal. Con esto comprobamos que no existen poros que se abre al calentarse la base.
Una vez hecha esta comprobación damos la construcción del cuerpo como finalizada.
Montaje de la caldera y los difusores.
Aparte de los difusores anteriormente torneados necesitamos 110 mm de varilla de acero roscada a M3. Se debe haber comprobado con anterioridad que el conjunto se monta bien y que queda firmemente sujeto. Soltar el cierre de la cámara y montarlo, resulta un poco incomodo pero no se tarda mas de unos minutos. Volver a colocar después el cierre de la cámara y apretar los tornillos.
Base soporte.
Esta y otras operaciones no son críticas y no afectan al funcionamiento de la bomba así que no me extenderé en muchos detalles.
Yo he empleado un cuenco de acero inoxidable comercial de 120 mm de diámetro. He realizado un orificio de 50.8 mm y he colocado una arandela de aluminio que se atornilla al cuenco y por otra parte abraza a la cámara. Otra opción mas sencilla es hacer un orificio mas pequeño cortar la chapa del cuenco y luego con una abrazadera sujetar el conjunto.
Va a ser necesario mas adelante realizar un orificio en el cuenco para sacar los cables del calefactor. El cuenco se puede comprar en Macro por 3 euros.
El cuenco de la bomba debe estar sujeto en el cuenco aproximadamente a la mitad del espacio que queda. Durante el funcionamiento de la bomba el cuenco se calienta bastante ya que actúa como radiador.
A continuación se rellena el interior del cuenco con lana de vidrio o cualquier otro material aislante que soporte al menos 400 grados de temperatura. Posteriormente se cierra en cuenco con un circulo de aluminio que se atornilla mediante tres o mas tornillos rosca chapas.
Ventilación.
La ventilación se fuerza sobre las aletas mediante un pequeño ventilador. El aire se confina para que atraviese las aletas mediante un recubrimiento de chapa de aluminio. Como se puede ver el la fotografía se realiza fácilmente plegando una chapa de aluminio de 0,8 mm y atornillándolo con rosca chapas.. El ventilador se fija a la chapa con cuatro tornillos M3 sobre un orificio del diámetro adecuado.
l
En la fotografía anterior la bomba lleva acoplada un adaptador de QF40 a QF 25. La chapa deja una parte descubierta para que por ella salga el aire, que de paso refrigera la toma de bajo vacío. La conexión a la bomba rotatoria se ha hecho mediante tubo flexible de inox.
Lo mas cómodo es emplear un ventilador de 220 voltios, si no se dispone de este, puede emplearse uno lo mas grande posible de 12v, pero habrá que prever para alimentarlo a 220 v.
Como opción puede colocarse un interruptor térmico fijado mediante una brida al cuerpo de la cámara inmediatamente debajo del conducto de bajo vacío. De manera que el ventilador se conecte cuando este interruptor alcance los 70 ºC de temperatura y permanezca encendido depuse de haber apagado el calefactor durante el tiempo necesario. Puede colocarse igualmente de una toma de corriente y de un interruptor de encendido /apagado.
Atención, La resistencia calefactora es de 150 w. El modelo usado es la referencia 837-587, con unas dimensiones de 9,53 x 50,8 mm. Puede adaptarse cualquier otro calefactor de 150 w de potencia.
Pruebas de funcionamiento.
Si se han seguido los pasos anteriores la bomba esta lista para funcionar. Solo falta cargarla de aceite.
Aquí puedes ver la bomba funcionando, tan solo faltan algunos detalles, como poner bien las tomas de corriente y un interruptor.
Durante las pruebas, conecte el calefactor de la bomba a través de un variac y dispuse de orificios en la base de la caldera y a lo largo del tubo para medir las temperaturas introduciendo en ellos sondas de termopar.
Conecte la bomba a la rotatoria y un medidor de vacío medio y a la salida un tubo de aproximadamente un litro de volumen y una sonda de alto vació de tipo magnetrón.
Durante unos días estuve jugando con la bomba para encontrar el punto óptimo de funcionamiento.
De aquí ha resultado que la potencia de calefacción optima es de 150 W y el volumen de aceite se sitúa en un mínimo de 15 cc y un máximo de 25 cc. El aceite seleccionado fue silicona Dow Corning 704 con una temperatura de ebullición de 215 ºC. y una presión de vapor de 10-10.
Conecte la calefacción y la bomba rotatoria aproximadamente al mismo tiempo, en unos segundos el vacío se aproximo a las 200 militorr. Luego bajo mas lentamente hasta alcanzar los 50 militorr. De vez en cuando se observaba una bajada en el vacío, esto de debe a que al calentarse el aceite expulsaba algún liquido o gas volátil. A los cuatro minutos y al aproximarse la temperatura de la base a la de ebullición del aceite de nuevo se observo una bajada de vacío. Esto se debe a que el aceite empezó a soltar vapores pero no en cantidad suficiente como para hacer el vacío. De repente se observo una caída de la presión y la bomba comenzó a funcionar. Desde que se conecto la bomba hasta que comenzó la aspiración pasaron aproximadamente 5 minutos.
El comportamiento descrito anteriormente en típico de todas las bombas de difusión. La primera vez lo hace muy notablemente después es mas suave, salvo que pase mucho tiempo entre uso y uso.
Un minuto aproximadamente después la presión estaba en 10 e -4 torr, dos minutos mas tarde en 5 x 10 e -5, cinco minutos después en 10 e -5, 15 minutos después en 5 x 10 -6, cuarenta minutos después en 3 x 10 e -6, cuatro horas después en 10 -6.
Seguramente habrá alguien que se escandalice de pensar que se necesitan 4 horas para conseguir 10 -6, el que se sorprenda lo hará porque nunca ha llegado tan lejos. Quiero decir que estos resultados para quien tenga experiencia en vacío serán excelentes.
De hecho posteriormente realice el mismo proceso en la misma cámara con una bomba turbo molecular Varian V60 y los resultados fueron ligeramente favorables a la difusora.
Apagado de la bomba.
Para que la bomba se enfrie antes conviene cortar la alimentación del calefactor sin cortar la ventilación. Por eso yo controlo el ventilador con un interruptor térmico y solo abro o cierro el circuito de calefacción.
Al cortar la calefacción en poco menos de un minuto la bomba deja de aspirar. Enseguida baja la temperatura del aceite y cesa la aspiración. Sin embargo a partir de ahí la temperatura baja mucho mas lentamente. Esto se debe a que mientras el aceite esta hirviendo absorbe mucha energía del calefactor, esta energía deja de absorberse y la bomba solo pierde calor por conducción. Este comportamiento demuestra el buen diseño de la bomba y un eficaz aprovechamiento del calefactor.
Apertura y cierre de la bomba.
Bajo ningún aspecto debe permitirse la entrada del aire a la bomba cuando este funcionando.
Si en condiciones de funcionamiento se soltase la toma de la bomba rotatoria la cámara de vacío absorbería el aire atmosférico a través de la bomba difusora arrastrando gran cantidad de vapores de aceite con lo cual la cámara y todo su contenido se pringaría de aceite. Total un desastre.
Si se parase la rotatoria mientras la difusora estuviese caliente el problema seria un poco mas suave pero no menos imprudente.
Si se abriese la toma de alto vacío en funcionamiento la bomba rotatoria podría absorber los vapores de aceite de la difusora, algo tampoco conveniente. Tampoco debe permitirse que la cámara se avente a través de las bombas aunque estas estén frías y apagadas.
Si se quiere hacer una instalación versátil, la bomba rotatoria debería conectarse por un lado a la cámara de vacío y por otro a la difusora, además se dispondría de una llave que cerrase el paso de la difusora a la cámara.
La primera bomba completa conectada con medidores y llaves de paso.
Al poner en marcha el sistema se abrirían las tres llaves de manera que se hiciesen los vacíos en todo el recinto. Y se conectaría la calefacción de la difusora. Mas o menos cuando el vacío se aproxima a 1 torr, se cierra el paso de la cámara a la rotatoria. Y se deja que ambas hagan el vacío en la cámara. Debe disponerse igualmente una llave para aventar la cámara.
Si se quiere cambia el interior de la cámara, se cierran las dos llaves de la campana (difusora y rotatoria) se abre el aventador, se manipula en la cámara y luego se cierra. Ahora se cierra durante un instante el paso de la difusora a la rotatoria y se abre el paso de la rotatoria a la cámara. Cuando la presión de la cámara es próxima a 1 torr se abren todas las llaves menos el aventador y un poco después se cierra la llave de la rotatoria a la cámara.
Si se opta por no poner el conjunto de llaves mencionados habrá que se precavido y dejar que la bomba se enfríe suficientemente antes de permitir que entre el aire en su interior. Como ya se ha comentado en aproximadamente un minuto la bomba deja de aspirar y en cuatro minutos mas la temperatura ha descendido lo suficiente para no esperar resultados adversos.
Esto es solo en el caso de que se emplee silicona ya que si empleamos otros aceites corremos el riesgo de que al someter el aceite a temperaturas elevadas en presencia de aire se oxide y se formen compuestos volátiles que perjudiquen su funcionamiento. En algunos casos la oxidación de los aceites provoca que se transformen el líquidos pastosos o grasa y sea necesario tirarlos y poner nuevo liquido.
La silicona por el contrario soporta mucho mejor el ataque del oxigeno en caliente y no sufre modificaciones. Por el contrario es mas cara aunque el consumo evidentemente es mínimo ya que solo son necesarios 25 cc para funcionar al menos un año. En mi caso he cambiado una vez al año la silicona pero por motivos diversos como una que vez me implotó una campana de pirex y se lleno la difusora de cristales.