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Construcción de una bomba de alto vacío (1ª y 2ª parte)

Construcción de una bomba de alto vacío por difusión de aceite.


Advertencia: el llevar a cabo este proyecto requiere el trabajar con corriente eléctrica, que bien puede ser PELIGROSO para nosotros o para la instalación misma si no tenemos un poco de conocimiento previo con el manejo de esto, y también si no se seguimos adecuadamente los pasos al pie de la letra. Pido asumir la responsabilidad de este proyecto


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.
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