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Fluido Santovac® 5 para Bomba de Difusión

Artículo técnico sobre el producto


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La bomba de difusión por dentro

Por Manuel E. Joaquim, de Santovac Fluids, Inc.
y Bill Foley, de Varian, Inc., Tecnologías de Vacío (Trad. Luciano Jiménez)

Crear un vacío utilizable en cualquier parte de la atmósfera terráquea, significa quitar moléculas que están componiendo la atmósfera (mayormente nitrógeno, oxígeno, dióxido de carbono, pero también cerca de 150 contaminantes frecuentes). La remoción de moléculas continúa hasta que se obtenga el nivel base deseado de vacío. El proceso de eliminación típicamente continúa después de este punto, para mantener el nivel de vacío deseado de proceso, durante todo el tiempo que se esté llevando a cabo la tarea que requiera el vacío. La tarea puede involucrar un microscopio electrónico, un espectrómetro de masa GC (GC-MS), análisis de superficie, sistemas de haz molecular, soldadura de materiales avanzados, hornos de vacío de gran escala, o aún en la simulación de ambientes espaciales.

El tipo más común de bomba para uso en aplicaciones de alto vacío es la bomba de difusión (o más propiamente, bomba de vapor a chorro). Las bombas por difusión constituyen una de las maneras más confiables de crear un vacío de hasta 10-10 Torr a 25°C, o aún más bajo. Los primeros diseños de bombas por difusión datan de 1915, cuando la bomba fue inventada por Irving Langmuir. El fluido original para bomba de difusión era mercurio, que podía soportar elevadas temperaturas pero tenía la desventaja de ser tóxico. Los diseños de bomba y de eyector han evolucionado a través de los años y los fluidos sintéticos han avanzado, permitiendo alcanzar niveles de vacío más altos. Existen numerosas escalas para la medición de la presión en gases, pero el más frecuentemente utilizado es el Torr. La columna de mercurio estándar sobre la cual está basado el barómetro aneroide, es de 29.92 pulgadas a la presión normal atmosférica a nivel del mar, equivalente a 760 milímetros de mercurio, o 760 Torr. Para la medición de las presiones muy bajas que hay en los vacíos muy elevados, se pueden utilizar micrones (1,000 micrones por milímetro). Así, de una bomba de difusión que alcance un vacío de 10-3 Torr, se puede también decir que ha conseguido un vacío de 1 micrón.

Un vacío de 10-3 Torr ha eliminado una gran cantidad de moléculas atmosféricas, pero realmente este es el nivel al que una bomba de difusión realmente empieza a operar. Una bomba de difusión no puede comenzar su tarea con presión atmosférica completa dentro de la cámara. En su lugar, una bomba mecánica auxiliar de desbaste (o prebomba), capaz de un nivel de bombeo moderado, primeramente lleva la presión al interior de la cámara de difusión, hasta cerca de 10-3 Torr. En este punto, la bomba de vacío se hace cargo, para crear un vacío que va de 10-3 a 10-10 Torr. Puesto que la bomba de difusión no puede descargar directamente a la presión atmosférica, se utiliza la prebomba para mantener condiciones apropiadas de descarga.

Aunque hayan sido reemplazadas en ciertas aplicaciones por diseños más avanzados tales como criobombas o bombas iónicas, las bombas de vacío por difusión son todavía abundantes porque tienen varias ventajas: son confiables, de diseño simple, funcionan sin ruido o vibración y son relativamente baratas de operar y mantener. De hecho, el bombeo por difusión es aún la forma más económica de crear ambientes de vacío. Estas bombas también toleran condiciones de operación tales como exceso de partículas y gases reactivos que destruirían otros tipos de bombas de alto vacío. Las más pequeñas son sólo un poco más grandes que una taza para café, las más grandes tienen casi un metro de diámetro y dos metros de alto.

Una bomba de vacío por difusión consiste básicamente en una cámara de acero inoxidable, que contiene ensambles de surtidores cónicos verticalmente apilados. Típicamente hay tres conjuntos de surtidores de tamaños decrecientes, con el más grande en el fondo. En la base de la cámara está una reserva de un tipo especializado de aceite de baja presión de vapor. El aceite se calienta hasta ebullición por medio de un calentador eléctrico que se encuentra debajo del piso de la cámara. El aceite vaporizado se mueve hacia arriba y es expelido a través de los surtidores de los diferentes ensambles. La cámara es refrigerada por agua que circula a través de serpentines, en su exterior, para evitar el desboque térmico y permitir la operación durante períodos largos.

La única justificación para llamarles bombas de difusión, es la observación de que las moléculas del gas bombeado penetran un tramo en el chorro de vapor, de tal manera que se asemeja la difusión de un gas en otro, ("Fuente- M.H. Hablanian, Pág.. 207 High Vacuum Technology, segunda edición"). A la salida de los surtidores, que poseen diámetros bastante grandes, las gotitas de aceite de alta energía viajan hacia abajo, en el espacio entre los ensambles de surtidores y la pared de la cámara, a velocidades de hasta 750 millas por hora. Las gotitas pueden en realidad exceder la velocidad del sonido, pero no existe estampido supersónico, en gran medida porque las moléculas en el vacío parcial están demasiado separadas para transmitir la energía del sonido. La eficiencia de captura del chorro de vapor depende de su densidad, velocidad y peso molecular. La alta velocidad del chorro choca con las moléculas de gas que eventualmente entran en él, debido a su movimiento térmico. Esto típicamente imparte un movimiento hacia abajo a las moléculas y las transporta hacia la salida de la bomba, creando mayor vacío. En la base de la cámara, las moléculas de gases atmosféricos condensadas, son eliminadas por la prebomba, mientras que el aceite condensado inicia otro ciclo.

El efecto de eliminación de moléculas es el crear un alto vacío en la porción alta de la cámara. Es esta parte de la cámara la que está conectada con el modo de empleo donde se necesita el alto vacío. En un microscopio electrónico, por ejemplo. Para prevenir el desboque térmico, el agua fluye a través del serpentín refrigerante en la superficie exterior de la cámara.

La temperatura en la base de la cámara, donde el aceite está vaporizando, se sitúa entre los cerca de 190°C a alrededor de 280°C. Existen varios tipos de aceite, basados en forma variada en silicones, hidrocarburos, ésteres, perfluorados, y éteres de polifenilo. El fluido o aceite polifenil éter (Santovac® 5) ha sido un estándar mundial por más de 25 años y combina alto peso molecular, baja reactividad y presión de vapor excepcional. Los criterios para elegir fluidos de bomba incluyen baja presión de vapor a temperatura ambiente, baja toxicidad, inercia química, calor de vaporización y costo. Todos los aceites tendrían un alto punto de ebullición a presión atmosférica completa. Los aceites que tienen bajos pesos moleculares tienden a ebullir en el extremo bajo de este rango; los polifenil éteres, con mayor peso molecular (446) hierven entre 230° y 270°C, cerca del extremo superior de este rango de temperatura. La cámara de vacío puede contar con un interruptor que automáticamente apaga la bomba cuando la temperatura empiece a elevarse. Así, una cámara que esté utilizando un polifenil éter, pero cuyo interruptor de seguridad esté ajustado para un aceite más liviano, que ebulle a una temperatura más baja, puede apagarse si el indicador de temperatura del interruptor no ha sido reestablecido.

Los diversos aceites tienen también diferentes temperaturas de descomposición. - la temperatura a la cual las moléculas del aceite se descomponen y se combinan con el oxígeno disponible. El punto de ebullición de los aceites no es particularmente importante para la operación de la bomba, , pero la temperatura de descomposición sí puede serlo. Los aceites con bajos puntos de ebullición tienden también a tener más bajas temperaturas de descomposición térmica.

Puesto que la cámara misma no tiene partes móviles aparte de las gotitas de aceite, una bomba de vacío por difusión puede operar con estabilidad por largos períodos. En todas las bombas de difusión, ocurre una pequeña cantidad de flujo reverso. Por definición, el flujo reverso es la migración de niveles minúsculos de aceite que se mueve en la dirección opuesta - hacia la entrada de la bomba y al flujo de proceso, que puede ser la platina de un microscopio electrónico o una cámara de soldadura. En algunos usos, un flujo reverso menor no tiene impacto, en otros, donde la pureza de los materiales es crítica, el flujo reverso no se puede tolerar. Por esta razón, algunos sistemas añaden una criotrampa de nitrógeno líquido para quitar las partículas de aceite antes de que alancen el flujo de proceso. En muchos usos el uso de polifenil éteres vuelve innecesaria la criotrampa, puesto que la alta pureza de los polifenil éteres minimiza el flujo reverso. Pero algunas aplicaciones son tan sensibles que aún esta solución no otorga protección completa. Esta esla razón  de por qué los fabricantes de semiconductores se movieron hace algunos años, de las bombas por difusión, a las más caras crio-bombas y bombas turbomoleculares.

Puesto que el propósito de la bomba de difusión es crear un vacío por medio de la eliminación de moléculas, las superficies dentro de la cámara necesitan estar muy limpias durante la operación. A los técnicos que trabajan con una bomba se les aconseja usar guantes, porque aún una sola huella digital puede liberar gas de vapor de agua y otras moléculas. Cuando una bomba de difusión es más lenta que lo normal en evacuar al nivel deseado de vacío, es probable que la razón sea la liberación de gas de humedad que se encuentra en las superficies de plástico u otras sustancias volátiles, o una fuga de vacío. Todos tienen el mismo efecto - añaden moléculas a la atmósfera que la bomba está tratando de evacuar. Cuando una bomba es desensamblada para mantenimiento de rutina y limpieza, uno de los pasos finales es la purga con nitrógeno seco.

Una cámara de bomba de vacío por difusión no es particularmente difícil de desensamblar, pero para las descomposturas que van más allá del mantenimiento de rutina, la tarea puede resultar bastante difícil. Las peores averías ocurren donde existe un influjo masivo de oxígeno y el calor se eleva a un nivel que degrade o descomponga el aceite. Generalmente ésto ocurre cuando la bomba de desbaste falla, o cuando se rompe un orificio, o cuando el sistema de refrigeración no está funcionando adecuadamente. La combinación de alta temperatura y presión tiende a chamuscar el aceite - un proceso que puede crear un pegajoso embrollo que es difícil de limpiar - pero exactamente qué suceda depende del tipo de aceite en la cámara, y la temperatura a la cual éste se descompone. Los desperfectos con aceites con base en hidrocarburos, los cuales no son de silicón, son los más duros de limpiar. El residuo es muy parecido al alquitrán y es tenaz. Luego de quitar raspando la mayor cantidad de mugre que se pueda remover con seguridad, el personal de mantenimiento podría utilizar tela/lija de esmeril, seguida por "chorro de grano" [bead blasting] (similar al "chorro de arena", pero menos dañino a las superficies, y particularmente al más bien frágil montaje de aluminio de los surtidores. Las fases finales de limpieza podrían utilizar alcohol. otros solventes, agua jabonosa, y agua desionizada.

Los aceites con base de silicona dejan un residuo que es, de alguna forma, más sencillo de quitar. Los aceites que contienen perfluorados se descomponen formando compuestos de flúor que pueden ser sumamente tóxicos y muy dañinos para el montaje de aluminio de los surtidores. Los menos sucios y menos dañinos, son los polifenil éteres; en parte porque su temperatura de descomposición es mucho más elevada (350°C vs 300°C), y en parte porque los éteres de polifenilo tienden a descomponerse en moléculas pequeñas no tóxicas como agua y dióxido de carbono, Pero la descomposición involucrada en polifenil éteres parece ser poco frecuente. En una aplicación, donde la bomba de difusión crea un vacío para la suelda de metales altamente especializados, el polifenil éter es tan duradero, que se conserva y se vuelve a usar aún cuando la bomba sea reemplazada.

Figura 1. Moléculas por centímetro cúbico desde presión atmosférica (parte superior), a vacío extremo (parte inferior).

Figura 2. En una bomba de vacío por difusión, aceites especializados de baja presión de vapor capturan moléculas, que son removidas en forma continua por una prebomba, para crear un vacío útil de hasta cerca de 10-10 Torr. La forma de bulbo del cuerpo de la bomba por  difusión, ayuda a crear un caudal (throughput) superior - una medida de la cantidad de gas por unidad de tiempo que puede fluir a través de la bomba.

Figura 3. Propiedades típicas para ciertos fluidos utilizados en bombas de difusión, para usos de ultra alto vacío (UHV). UHV se define como la región de presión abajo de 10-8 Torr.

Figura 4. Bomba de vacío por difusión en operación, aquí en una operación de recubrimiento a vacío. [Fotografía de Mill Lane Engineering]


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Tuesday May 22, 2012
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