Bomba turbomolecular

Una bomba turbomolecular es un tipo de bomba de vacío , superficialmente similar a una turbobomba , que se utiliza para obtener y mantener un alto vacío . ^{[ 1 ] [ 2 ]} Estas bombas funcionan según el principio de que las moléculas de gas pueden adquirir impulso en la dirección deseada mediante colisiones repetidas con una superficie sólida en movimiento. En una bomba turbomolecular, un rotor de ventilador que gira rápidamente "golpea" las moléculas de gas desde la entrada de la bomba hacia la salida para crear o mantener el vacío.

La mayoría de las bombas turbomoleculares emplean múltiples etapas, cada una compuesta por un rotor de rápida rotación acoplado a un estator fijo. El sistema es un compresor axial que introduce energía en el gas, en lugar de una turbina , que extrae energía de un fluido en movimiento para generar potencia rotatoria; por lo tanto, el término "bomba turbomolecular" es inapropiado. El gas capturado por las etapas superiores se impulsa hacia las etapas inferiores y se comprime sucesivamente hasta alcanzar la presión del vacío previo (bomba de respaldo). A medida que las moléculas de gas entran por la entrada, el rotor, que cuenta con varias palas anguladas, las impacta. De esta forma, la energía mecánica de las palas se transfiere a las moléculas de gas. Con este nuevo impulso, las moléculas de gas entran por los orificios de transferencia de gas en el estator. Esto las conduce a la siguiente etapa, donde vuelven a colisionar con la superficie del rotor, y este proceso se repite, expulsándolas finalmente por el escape.

Debido al movimiento relativo del rotor y el estator, las moléculas impactan preferentemente en la parte inferior de los álabes. Dado que la superficie del álabe apunta hacia abajo, la mayoría de las moléculas dispersas se desplazan hacia abajo. La superficie es rugosa, por lo que no se produce reflexión. Un álabe debe ser lo suficientemente grueso y estable para operar a alta presión, y lo más delgado posible y ligeramente curvado para lograr la máxima compresión. Para altas relaciones de compresión, el espacio entre los álabes adyacentes del rotor (como se muestra en la imagen) apunta lo máximo posible hacia adelante. Para caudales elevados, los álabes se encuentran a 45° y se aproximan al eje.

Debido a que la compresión de cada etapa es ≈10, cada etapa más cercana a la salida es considerablemente más pequeña que las etapas de entrada precedentes. Esto tiene dos consecuencias. La progresión geométrica implica que un número infinito de etapas podría idealmente caber en una longitud axial finita. La longitud finita en este caso es la altura total de la carcasa, ya que los cojinetes , el motor, el controlador y algunos de los enfriadores pueden instalarse dentro del eje. Radialmente, para captar la mayor cantidad posible del gas fino en la entrada, los rotores del lado de entrada idealmente tendrían un radio mayor y, en consecuencia, una fuerza centrífuga mayor ; las palas ideales se harían más delgadas hacia sus puntas. Sin embargo, debido a que la velocidad promedio de una pala afecta mucho al bombeo, esto se hace aumentando el diámetro de la raíz en lugar del diámetro de la punta cuando es práctico.

Las bombas turbomoleculares deben operar a velocidades muy altas, y la acumulación de calor debida a la fricción impone limitaciones de diseño. Algunas bombas turbomoleculares utilizan cojinetes magnéticos para reducir la fricción y la contaminación del aceite. Debido a que los cojinetes magnéticos y los ciclos de temperatura permiten una holgura limitada entre el rotor y el estator, los álabes en las etapas de alta presión se reducen a una sola lámina helicoidal. No se puede utilizar flujo laminar para el bombeo, ya que las turbinas laminares se bloquean cuando no se utilizan al caudal previsto. La bomba se puede enfriar para mejorar la compresión, pero no debe enfriarse tanto como para condensar hielo en los álabes. Cuando una turbobomba se detiene, el aceite del vacío de respaldo puede retroceder a través de ella y contaminar la cámara. Una forma de evitar esto es introducir un flujo laminar de nitrógeno a través de la bomba. La transición de vacío a nitrógeno y de una turbobomba en funcionamiento a una parada debe sincronizarse con precisión para evitar esfuerzos mecánicos en la bomba y sobrepresión en el escape. Se debe añadir una membrana delgada y una válvula en el escape para proteger la turbobomba de una contrapresión excesiva (por ejemplo, después de un fallo de alimentación o fugas en el vacío de respaldo).

El rotor se estabiliza en sus seis grados de libertad . Un grado está controlado por el motor eléctrico. Como mínimo, este grado debe estabilizarse electrónicamente (o mediante un material diamagnético , demasiado inestable para su uso en un cojinete de bomba de precisión). Otra opción (ignorando las pérdidas en los núcleos magnéticos a altas frecuencias) consiste en construir este cojinete como un eje con una esfera en cada extremo. Estas esferas se encuentran dentro de esferas estáticas huecas. En la superficie de cada esfera hay un patrón de tablero de ajedrez con líneas de campo magnético que se dirigen hacia adentro y hacia afuera. Al girar el patrón de tablero de ajedrez de las esferas estáticas, el rotor gira. En esta construcción, ningún eje se estabiliza a costa de desestabilizar otro, pero todos los ejes son neutros y la regulación electrónica sufre menos estrés y será más estable dinámicamente. Se pueden usar sensores de efecto Hall para detectar la posición de rotación y los demás grados de libertad se pueden medir capacitivamente.

A presión atmosférica, el recorrido libre medio del aire es de aproximadamente 70  nm. Una bomba turbomolecular solo puede funcionar si las moléculas impactadas por las palas móviles alcanzan las palas fijas antes de colisionar con otras moléculas en su trayectoria. Para lograrlo, la distancia entre las palas móviles y las fijas debe ser cercana o menor que el recorrido libre medio. Desde un punto de vista práctico, una distancia factible entre los conjuntos de palas es del orden de 1  mm, por lo que una turbobomba se detendrá (sin bombeo neto) si se descarga directamente a la atmósfera. Dado que el recorrido libre medio es inversamente proporcional a la presión, una turbobomba bombeará cuando la presión de escape sea inferior a unos 10 Pa (0,10 mbar), donde el recorrido libre medio es de aproximadamente 0,7 mm.   

La mayoría de las turbobombas tienen una bomba Holweck (o bomba de arrastre molecular) como etapa final para aumentar la presión de respaldo máxima (presión de escape) a aproximadamente 1–10  mbar. Teóricamente, se podría usar una bomba centrífuga, una bomba de canal lateral o una bomba regenerativa para regresar directamente a la presión atmosférica, pero actualmente no existe ninguna turbobomba disponible comercialmente que descargue directamente a la atmósfera. En la mayoría de los casos, el escape se conecta a una bomba de respaldo mecánica (generalmente llamada bomba de vacío preliminar ) que produce una presión lo suficientemente baja para que la bomba turbomolecular funcione de manera eficiente. Normalmente, esta presión de respaldo es inferior a 0,1  mbar y comúnmente alrededor de 0,01  mbar. La presión de respaldo rara vez es inferior a 10 ⁻³  mbar (recorrido libre medio ≈ 70  mm) porque la resistencia al flujo del tubo de vacío entre la turbobomba y la bomba de vacío preliminar se vuelve significativa.

La bomba turbomolecular puede ser una bomba muy versátil. Puede generar muchos grados de vacío, desde un vacío intermedio (≈10⁻² ^Pa ) hasta niveles de vacío ultraalto ( ^≈10⁻⁸ Pa).

En un laboratorio o planta de fabricación, varias bombas turbomoleculares pueden conectarse mediante tubos a una pequeña bomba auxiliar. Las válvulas automáticas y la inyección mediante bomba de difusión en un tubo amortiguador de gran capacidad situado delante de la bomba auxiliar evitan que la sobrepresión de una bomba detenga a otra.

Las leyes de la dinámica de fluidos no proporcionan buenas aproximaciones para el comportamiento de moléculas de gas individuales, altamente separadas y no interactuantes, como las que se encuentran en entornos de alto vacío . La compresión máxima varía linealmente con la velocidad circunferencial del rotor. Para obtener presiones extremadamente bajas, de hasta 1 micropascal , a menudo se requieren velocidades de rotación de 20 000 a 90 000 revoluciones por minuto. Desafortunadamente, la relación de compresión varía exponencialmente con la raíz cuadrada del peso molecular del gas. Por lo tanto, las moléculas pesadas se bombean con mucha más eficiencia que las ligeras . La mayoría de los gases son lo suficientemente pesados ​​como para ser bien bombeados, pero es difícil bombear hidrógeno y helio de manera eficiente.

Otro inconveniente se deriva de la alta velocidad de rotación de este tipo de bomba: se requieren cojinetes de muy alta calidad , lo que aumenta el coste.

Dado que las bombas turbomoleculares solo funcionan en condiciones de flujo molecular, una bomba turbomolecular pura requiere una bomba de respaldo muy grande para funcionar eficazmente. Por lo tanto, muchas bombas modernas incorporan una etapa de arrastre molecular, como un mecanismo Holweck o Gaede, cerca de la salida para reducir el tamaño de la bomba de respaldo necesaria.

Gran parte del desarrollo reciente de las turbobombas se ha centrado en mejorar la eficacia de las etapas de arrastre. A medida que se extrae el gas de un espacio bombeado, los gases más ligeros, hidrógeno y helio, aumentan su proporción en la carga de gas restante. En los últimos años, se ha demostrado que el diseño preciso de la geometría superficial de las etapas de arrastre puede tener un efecto significativo en el bombeo de estos gases ligeros, mejorando las relaciones de compresión hasta en dos órdenes de magnitud para un volumen de bombeo determinado. Como resultado, es posible utilizar bombas de respaldo mucho más pequeñas que las que requerirían las turbobombas puras y/o diseñar turbobombas más compactas.

La bomba turbomolecular fue inventada en 1958 por W. Becker , basándose en las bombas de arrastre molecular más antiguas desarrolladas por Wolfgang Gaede en 1913, Fernand Holweck en 1923 y Manne Siegbahn en 1944. ^{[ 3 ]}

• Soplador Roots

• «La bomba molecular turbo (TMP)» . Centro de Microscopía Electrónica Biomolecular. Imperial College . Archivado del original el 3 de junio de 2007.