Bomba de difusion en acero inoxidable

Algunos conceptos

Las bombas de difusion inicialmente operaban con mercurio.Una caldera llena con este metal liquido era caldeada hasta el punto en que entraba en ebullicion creando un chorro de moleculas pesadas que arrastraban las moleculas de aire que quedaban. La primera difusora de mercurio fue presentada en 1915 por Wolfgang Gaede.

Estas bombas de difusion, tanto de simple como doble efecto son bastante delicadas,ya que estan fabricadas con vidrio. Pero no solo tiene ese "problema", sino que hay una presion limite de la cual no podemos bajar,la presion de vapor del mercurio.

A -40ºC se situa en 1.5 × 10-6 torr

A    0ºC se situa en 1.2 × 10-3 torr

A 100ºC se situa en 1.2 × 10-1 torr

Es por esto por lo que es muy dificil obtener altos vacios con difusoras de mercurio, ya que la toma de alto vacio normalmente rondará los 50ºC, y utilicar trampas de vapor empleando liquidos criogenicos es bastante complicado.

Ya nos va quedando mas claro que si queremos trabajar frecuentemente con la difusora, y dedicarle el minimo mantenimiento, debemos ir acercandonos a una difusora metalica, y emplear aceites sinteticos especiales para alto vacio (como un aceite de silicona). El metal mas apropiado para este caso es el acero inoxidable y el aluminio. Para soldar acero inoxidable hay varias opciones, entre las que está emplear TIG (soldadura en atmosfera de gas inerte) o varillas de aportacion de soldadura fuerte (tipicamente cobre con plata al 40%).

El aluminio será empleado solamente para la fabricacion de la base para el cartucho calefactor y los difusores, que se encargaran de guiar los chorros de vapor hacia abajo.

La difusora constará por tanto de:

-Elemento calefactor.

-Base para el cartucho calefactor.

-Base de la caldera.

-Cuerpo de la difusora (incluye toma de alto vacio).

-Camisas de refrigeracion liquida.

-Toma de bajo vacio.

-Difusores.

Para la fabricacion especifica de esta difusora se hace necesario disponer de un torno, asi como de un talabro vertical, soplete oxiacetilenico, y alguna herramienta menor, como una dremel o similar.

Lo primero de todo será establecer una serie de normas a seguir en el diseño.Yo personalmente he tenido en cuenta una serie de factores.

-Interconectabilidad de las tomas de vacio

Para ello me he adaptado una norma ISO, que regula las uniones QF o NW. Yo principalmente empleare la NW25 para la toma de bajo vacio y una NW 40 para la toma de alto vacio.

-Simplificacion en la fabricacion

Para ello he realizado un diseño que me permita tener que hacer las minimas soldaduras, no solo de las que se encuentren en contanco con vacio, sino tambien las soldaduras externas. Con esto me ahorro dos cosas: tiempo en la fabricación, y minimizo las opciones a la aparicion de poros que estropeen el vacio.

-Acabado de la bomba

Esto no es una norma tan extricta como las dos anteriores, pero si ha sido una preocupacion durante el diseño. He intentado optimizar al maximo el material del que disponia, para darle por un lado un buen aspecto a la difusora, y ahorrar material a la hora de mecanizar.

Diseño

Toda la difusora se basa en la del profesor Frank de Cophenague, y en las ideas y consejos que en algun momento me dió Sergi.

Sin embargo, siguiendo las anteriores normas de diseño establecí una serie de cambios que se podran ir observando a medida que exponga las partes. Comencemos...

Base para el cartucho calefactor

Esta pieza realizada en aluminio se encarga de repartir el calor transmitido por el cartucho calefactor alojado en su interior. Es un disco de 45mm de diametro por 15mm de alto,en el que hay que practicar 3 orificios. Uno de 9.5mm para el cartucho calefactor (y que es pasante) y otros dos para la sujeccion de 4 mm.

Una vez obtenido este disco el siguiente paso fue lijar al agua y pulir las superficies para que se produzca un buen contacto termico con la siguiente pieza, la base de la caldera.

Base de la caldera

La base de la caldera tiene dos finalidades, ser una barrera termica para evitar que la potencia del cartucho sea entregada a las pareces de la difusora (donde esta pieza va soldada), y la transmision de la mayor energia posible al nucleo de la caldera donde se alojara el aceite. En la siguiente imagen se muesta como funciona esta pieza, evitando que el calor sea transferido a las paredes refrigeradas.

Esta pieza está realizada en acero inoxidable y sus medidas (en mm) se pueden ver en la siguiente imagen.

Una vez fabricada esta pieza tambien es necesario lijar y pulir bien las superficies de contacto entre la base para el cartucho calefactor y la base de la caldera. Mas adelante, en el ensamblaje se untará todo con pasta o silicona termica para mejorar el contacto y disminuir la resistencia termica entre las piezas.

Difusores

Los difusores son los encargados de dirigir los chorros de vapor con cierto angulo hacia abajo, arrastrando como sabemos, las particulas residuales de gas hacia la toma de bajo vacio. Estan realizados en aluminio y una vez ensamblados se fijarán a la base de la caldera con una varilla roscada. Consta de tres piezas en mi caso, aunque la caldera podría haberse dividido en dos piezas mas. En los difusores, la caldera es la pieza encargada de contener el aceite y es la pieza inferior. El resto de piezas componen lo que propiamente se denomina "difusor".

-Caldera y primer difusor

-Segundo difusor

El segundo difusor es la pieza que se coloca inmediatamente despues de la caldera.

-Campana del segundo difusor

Es la ultima pieza de los difusores.

Aqui os dejo unas imagenes de los difusores terminados.

Toma de bajo vacio

Esta pieza es la encargada de condensar los ultimos restos de aceite que quedasen antes de salir fuera del circuito de vacio. Es una pieza de acero inoxidable la cual posee una toma adaptada al estándar NW25.

Unas fotos de la pieza terminada.

Cuerpo principal

Una de las piezas mas importantes de la difusora, y mas complejas de fabricar es el cuerpo principal. Se trata de una barra perforada (de 80x45) de acero inoxidable que hay que mecanizar en su totalidad. Con una herramienta de interiores se busca un diametro interno de 47 mm y se mecaniza la base unos 5mm hacia adentro a 49mm para que la base de la caldera encaje perfectamente.

Posteriormente se necesitará hacer un agujero para conectar la toma de bajo vacio. Para ello, a una altura de 50mm se practica un orificio de 5mm que servirá como guia a la broca de 17mm y la de 15mm. Como la conexion la realizo con un tubo de 16mm, es necesario mecanizarlo a 15mm. La razon por la que tambien practico un agujero de 17mm, es para que la plata cree un deposito lo suficientemente profundo, como para evitar fugas en las esquinas.

Tras realizar el agujero de 5mm, se hace el de 17mm, a una profuncidad de 2 o 3 mm. Seguidamente, se termina de perforar con la broca de 15mm.

Otra parte complicada es el canal para el agua, que junto con la camisa de acero inoxidable, conformará el sistema de refrigeracion. En esta zona, las paredes tienen 2 mm de espesor.

En la parte superior (toma de alto vacio) hay que realizar 6 orificios M4, para poder interconectar cualquier adaptador de tomas QF.

Dejo unas imagenes que muestran mejor lo anteriormente explicado.

Aqui se vé detalladamente la operacion de perforado para la conexion con el tubo de 16 mm.

Foto del cuerpo terminado.A su lado la correspondiente camisa de refrigeracion, construida apartir de un tubo de 76x73mm

Soporte de la difusora

Este soporte está realizado con un bol de acero inoxidable de 140mm de diametro. En su base se le perfora un agujero de 52mm de diametro, para que la base estrecha de la difusora se deslize facilmente. Es necesario fijarla a la difusor de algun modo, con lo que fabriqué una abrazadera de aluminio que va atornillada al bol, y una vez apretada abraza fuertemente el cuello estrecho del cuerpo principal.

En la sigueinte fotografia se puede ver al ajuste y acople con el cuerpo principal.

Con todas estas partes, doy por finalizada la etapa de fabricacion.

Imagen de todas las piezas presentadas.Solo falta ensamblarlo todo y soldadarlo con varilla de plata.

Sistema de refrigeracion

La refrigeracion en la difusora será por agua. Dos camisas son las encargadas de enfriar las paredes lo suficiente como para que el aceite se condense rapidamente y entre de nuevo en la caldera.Todas las conexiones se realizan con un tubo de inoxidable de 7x6mm. Esta pieza no tiene porque dar ningun problema, sin embargo la eficacia de esta refrigeracion puede mejorar o empeorar segun de dispongan las entradas y salidas de agua de una u otra forma. Aqui se muestra la que forma un flujo de agua más laminar, y por tanto, mas efectivo a la hora de refrigerar la pared.

Como se puede ver, la entrada a la camisa del cuerpo de la difusora se realiza desde la parte mas proxima a la toma de alto vacio. Entra con cierto angulo para favorecer un remolino que rodee toda la pared. Finalmente sale por la parte inferior, para entrar en la camisa de la toma de bajo vacio.

La soldadura se realizará con plata, ya que tanto las paredes de la camisa, como el tubo, son de acero inoxidable.

Para el funciomaniento normal lo recomendable es emplear un circuito cerrado, con una pequeña bomba de agua (como puede ser una bomba de lavadora reciclada) o una bomba de acuario, sin embargo puede emplearse agua de grifo solo para las pruebas, o circuitos cerrados improvisados con calderos llenos de agua fria. Eso queda a vuestra eleccion.

Aqui os muestro un video del sistema de refrigeracion trabajando mientras el sistema de calefaccion hace hervir un poco de agua. (Es una prueba que hice para ver si habia fugas)

Una vez comprobado que el sistema de refrigeracion hace bien su trabajo, es necesario probar la estanqueidad de la bomba. En las soldaduras se pueden producir poros, y seria necesario resoldar la zona.

Para probar que todo los sellos y soldaduras eran hermeticos, fabrique una tapa para la toma de alto vacio con una conexion para la manguera de mi compresor de aire, y en la toma de bajo vacio puse el adaptador para la sonda PT-100.

Se sumerge todo en agua y se eleva poco a poco la presion hasta 4 kg/cm^2. Si hubiese problemas, rapidamente se verian las burbujas. Afortunadamente la bomba paso la prueba, pero todavia le queda pasar la prueba de mantenimiento de vacio. Ya que la prueba de presion a 4 kg/cm^2 no revela pequeños gaseados de microporos.