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.

Documentos del proyecto.

Además del presente, para evitar tiempos de carga innecesarios este proyecto se documenta en varios apartados a los cuales se puede acceder desde aquí.

 

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 (1ª parte).

Construcción de una bomba de alto vacío por difusión de aceite (2ª parte).

Construcción de una bomba de alto vacío por difusión de aceite (3ª parte).

Construcción de una bomba de alto vacío por difusión de aceite (4ª parte).

 

Copyright Profesor Frank de Copenhague.