Construcción de una bomba de alto vacío (3ª y 4ª parte)

En el blog anterior les expuse la primera parte de una propuesta para armar una bomba de alto vació considero que es un buen proyecto con el cual se divertirán realizando, y si se ven inmersos en la situación de necesitar del uso de una de estas bombas pues he aquí la solución, claro que se necesitara un poco de paciencia.

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.


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

Refrigeración de la bomba

El proceso que se lleva a cabo en el interior de una bomba es similar al de un alambique: el aceite se transforma en calor en la caldera y re convierte de nuevo en líquido en las paredes de la bomba. Para que este ciclo se repita continuamente es necesario evacuar todo el calor que genera el calefactor.

Aproximadamente el 30 % del calor se disipa a través de las paredes y del cuerpo de la bomba pero es necesario evacuar el 70% restante manteniendo la boca de la bomba la temperatura mas baja posible,

Sin ninguna duda el mejor sistema de refrigeración es hacer circular alrededor de la bomba agua del grifo, con un caudal de tan solo 3 litros /hora podremos conseguir que la boca de la bomba se mantenga a tan solo 10 grados mas alta que el agua. Como no es raro que el agua del grifo venga a 20 grados o menos la temperatura de la boca será de unos 30 grados. Si conseguimos mantener la temperatura a este valor el aceite de la bomba producirá poco reflujo y conseguiremos las mas bajas presiones posibles.

Sin embargo la refrigeración por agua es un incordio por ello se tiende a emplear refrigeración por aire forzado. En este caso por mucho que nos empeñemos no será fácil conseguir que la boca de la bomba este a menos de 40 o 50 grados, especialmente si la temperatura ambiente es de 30 ºC. Con esta temperatura casi el doble la presión mínima que alcanzara nuestra bomba será al menos tres o cuatro veces mayor que en el caso de la refrigeración por agua debido en buena parte a que la presión de vapor del aceite de difusión será mayor. De cualquier manera no asustarse con refrigeración por aire se pueden conseguir fácilmente presiones de 10 -6 milibares muy por debajo de las necesarias para la mayor parte de las aplicaciones que puede emprender un aficionado que se sitúan entre los 10-3 y los 10-1 milibares. Tres ordenes de magnitud mas baja.


Refrigeración por agua


Si la refrigeración por agua es la mas eficaz también es la mas sencilla de construir. Solo se necesita 1 metro de tubo de cobre recocido de una luz interior de 5 o 6 mm. Mucho más, dará dificultades para doblarlo pero no afectara en absoluto al funcionamiento. Si no tenemos tubo recocido se puede partir de tubo de cobre normal y con un soplete darle un buen calentón.

Comenzar a doblar por la toma de baja presión, soldar cada tres centímetros aproximadamente haciendo presión para que el tubo este próximo a las paredes de INOX. Que a nadie se le ocurra soldar el principio y el final para dejar el tubo fijado con la esperanza de soldar los puntos intermedios después, ya que la dilatación de tubo al calentarlo lo separara de las paredes y será imposible hacerlo bien. No es imprescindible soldar todo el recorrido, con hacer una soldadura generosa de 1 cm de longitud cada 2 o 3 es suficiente.



Como se puede ver en el dibujo el agua fría entrara por el extremo de la boca de alto vacío y saldrá por el de bajo vacío.

Existen en el mercado refrigeradores de agua para las CPUs de ordenadores, posiblemente se puedan adaptar esto equipos y realizar un circuito de refrigeración por agua en ciclo cerrado. Posiblemente no se consigan obtener las temperaturas empleando agua del grifo pero serán suficientes. Asegurarse de que esos equipos son capaces de disipar al menos 100 W.

Refrigeración por aire



Las soluciones para refrigerar por aire son varias, voy a proponer varias de ellas y al final por la que yo he optado. Seguro que hay muchas mas.

Radiadores de electrónica. Esta solución ya la emplee en la anterior bomba. Se toman dos radiadores de aproximadamente 70x70x140. En la mitad del radiador se fresan dos sectores de circulo de diámetro 50.8 mm y 20 mm de profundidad. Se asegura que abracen bien ajustados al cuerpo de la cámara. Se untan de aceite de silicona para transistores y se atornillan para que hagan buen contacto con el cuerpo de INOX. Se coloca un ventilador que fuerce la circulación de aire.



Si no se dispone de radiadores una solución parecida es tomar un cilindro de aluminio de 80 mm de diámetro y 70 de longitud.

Solución de chapas.

Se trata de conectar térmicamente siete u ocho chapas de aluminio de 100x100 mm y 1,2 mm al cuerpo de la cámara.

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

Ensamblado de la bomba

Una vez hayamos colocado y atornillado perfectamente el conjunto refrigerado procederemos a completar el cuerpo de la cámara.

Insertar la arandela de alta, sin llegar a enrasarlos (dejando hasta 1 mm). Soldar con plata, primero dar una pasada de soldadura un poco escasa y calentar bien para que la soldadura entre por capilaridad en las grietas. Después aplicar una segunda capa mas generosa que se extienda uniformemente. No calentar excesivamente para evitar quemar la soldadura.

Cuando todavía este suficientemente caliente aplicar un paño humedecido a los lugares en que hay fundente para que se desprenda. No enfriar el resto solo lo imprescindible para eliminar el fundente. Comprobar que la soldadura ha quedado completa, limpia, uniforme y sin poros.



La imagen siguiente muestra la bomba después de haber montado las chapas durante pruebas de calefacción.




Preparación de las chapas



Para conseguir estas chapas se cortan cuadrados de aluminio de 100x100 mm de 1,2 o 1,5 de espesor. Pueden emplearse igualmente chapas de 90x90 mm. Se realiza un orificio en el centro de la chapa de 8 mm que sirve como guía y los cuatro orificios que van a servir para el paso de la varilla roscada. Se sujeta la chapa en el torno con un tornillo, tuerca y una arandela de respaldo. Se coloca una herramienta en punta aguda para perforar la chapa pero tratando de que por la parte posterior quede bastante rebaba, como se indica el dibujo.

La chapa deberá entrar en el cuerpo de la bomba bastante justa. Conviene tener un par de chapas de mas para hacer pruebas. Conviene cortar las esquinas de las chapas en forma de chaflán 4 o 5 mm.

La rebaba que queda al ser aprisionada entre las arandelas de separación mejoraran el contacto térmico con el cuerpo de INOX. Si se quiere mejorar aun mas el contacto puede aplicarse un poco de silicona de transistor o epoxi.

El conjunto esta formado por dos arandelas de fijación mas grandes, siete u ocho arandelas de separación y cuatro varillas roscadas a M4, yo las he puesto de inox pero pueden ponerse de acero galvanizado. Las chapas y las arandelas de separación son aprisionadas entre las arandelas de fijación por medio de las varillas roscadas y sus tuercas.

El dibujo a continuación representa las arandelas de fijación y de separación en corte. Para las arandelas de fijación se parte de barra de aluminio de 70 mm, se tornean a un diámetro interior de 50.8 mm cuidando de ajustarlas bien al cuerpo de la cámara. La arandela que se va a introducir primero deberá ir lo mas justa posible aunque sea con bastante esfuerzo. La arandela que va a ir cercana a la toma de alto vació deberá ir justa pero no excesivamente, se deberá poder introducir con la mano.



Para realizar las arandelas de separación lo mejor es partir de tubo de aluminio de 55 mm exterior y 50 mm interior. Tornearlo para un diámetro interior de 50,8 y cortarlo en rodajas de 7 mm. Estas arandelas deberán entras suavemente pero sin holguras. Si no se puede disponer de tubo de aluminio se pueden conseguir torneando cilindro de aluminio de 55 mm de diámetro.

Montaje del refrigerador

Antes de montar el refrigerador deben estas soldados los tubos horizontal y vertical y la toma de bajo vacío. Asegurarse bien de que no hay fugas, para ello las soldaduras deben estar generosamente recubiertas especialmente en los ángulos, ya que los dos ángulos son los lugares mas probables para la existencia de poros. Solo cuando se este convencido de que no hay poros proceder al montaje de las aletas.

Con la lima o la piedra esmeril achaflanar el borde superior del cuerpo para que entren las arandelas y chapas. Introducir la primera arandela de fijación cuidando que los orificios para los espárragos de apriete quedan uniformemente situados a cada lado del tubo horizontal. Cuidar de que no se someten las soldaduras a presión que pueda abrir poros. A continuación introducir una aleta con la rebaba hacia arriba. Seguir con una arandela de separación y así sucesivamente hasta completar el conjunto



Ir cuidando de situar todos los orificios alineados. Introducir los espárragos y por ultimo la segunda arandela de fijación. Colocar arandelas y tuercas y aprisionar el conjunto apretando las tuercas de los espárragos. Facilitar la compresión utilizando el tornillo de banco aprisionado ente las arandelas de fijación en diferentes posiciones. Deberá dejarse suficiente espacio en la boca del tubo para soldar el acoplamiento de alto vacío.



Soldar el resto de las piezas con el mismo criterio. El la base de de la cámara la soldadura debe aplicarse al punto de unión con las paredes del tubo.



Eliminar todo los restos de fundente, lijar o aplicar con el dremel un cepillo de alambre pala dejar todas las superficies limpias y brillantes. Prestar especial cuidado a que las superficies de cierre de las tomas de vacío estén planas, limpias y semipulidas, sin rayones aparentes.

Introducir el calefactor en su pieza adaptadora previamente untado en silicona termoconductora. Aplicar silicona también a la base calefactora colocar ambas piezas y fijar mediante tornillos INOX M4 y sus correspondientes arandelas.



Es importante que las piezas queden bien fijadas para una buena transferencia de calor, ya que en caso contrario la vida del calefactor se vera afectada.

Desengrasar bien el interior de la cámara. Para ello colocar provisionalmente el cuerpo de la cámara boca arriba, llenarlo con agua y un poco de un detergente agresivo como el empleado en los fregaplatos. Conectarlo a la red y esperar hasta que hierva unos minutos. Repetir la operación con agua del grifo y luego enjuagar con agua fria.

Nota: La resistencia calefactora es de 150 w. El modelo usado es la referencia 837-587, con unas dimensiones de 9,53 x 50,8 mm. Puede adaptarse cualquier otro calefactor de 150 w de potencia.

Conexión a alto vacío. Como se ha comentado, bomba termina e la boca de alto vacío en una boca plana que se atornilla a un adaptador a un formato estándar para conexiones de alto vacío. En mi caso lo he adaptado al formato QF40,. También se da un dibujo para adaptarlo al formato QF25, pero con ligeras modificaciones puede adaptarse a cualquier otro formato, aunque se recomienda que sea de la mayor luz posible para no limitar la capacidad de aspiración de la bomba.

Esta pieza tiene también el objetivo de obstaculizar que los vapores del aceite de la difusora salgan hacia fuera (backstreaming).




Adaptador de salida.

Comprobar que la bomba no tiene fugas

Antes de seguir conviene comprobar concienzudamente que la bomba no tiene fugas, para ello colocar una junta tórica de 45 mm x 3,2 ligeramente aceitada en el cierre de la cámara y adaptador de la toma de alto vacío, introducirlo en la boca y colocar seis tornillos inox M4 y sus correspondientes arandelas. Apretar hasta que se vea que el cierre es firme sin llegar a aplastar completamente la junta tórica.

Colocar en la salida el anillo de centrado, cierre y collarín que se haya elegido y fijarlo. Conectar la bomba de vacío a la toma de baja. En una parte del circuito deberá haber un medidor de vacío.

Poner la bomba rotatoria en marcha, al principio subirá el vacío rápidamente, después ira mas lentamente mientras se desprenden gases y otros restos que pueden quedar adheridos a las paredes de la bomba.

Pasados unos 20 minutos el vacío deberá aproximarse al máximo de la bomba. Si no se consigue esto se debe a la existencia de fugas. Buscar las fugas y resolverlas. Las zonas mas propensas a las fugas están en las tomas de vacío y en las soldaduras en ángulo.

Si estimamos que no tiene fugas conectar la resistencia calefactora durante 3 minutos, no mas, ya que al no tener aceite pude quemarse la resistencia o sobrecalentarse las soldaduras. Al principio caerá el vacío por el desprendimiento de gases pero después de un tiempo volverá a la situación normal. Con esto comprobamos que no existen poros que se abre al calentarse la base.

Una vez hecha esta comprobación damos la construcción del cuerpo como finalizada.

Montaje de la caldera y los difusores

Aparte de los difusores anteriormente torneados necesitamos 110 mm de varilla de acero roscada a M3. Se debe haber comprobado con anterioridad que el conjunto se monta bien y que queda firmemente sujeto. Soltar el cierre de la cámara y montarlo, resulta un poco incomodo pero no se tarda mas de unos minutos. Volver a colocar después el cierre de la cámara y apretar los tornillos.

Base soporte

Esta y otras operaciones no son críticas y no afectan al funcionamiento de la bomba así que no me extenderé en muchos detalles.

Yo he empleado un cuenco de acero inoxidable comercial de 120 mm de diámetro. He realizado un orificio de 50.8 mm y he colocado una arandela de aluminio que se atornilla al cuenco y por otra parte abraza a la cámara. Otra opción mas sencilla es hacer un orificio mas pequeño cortar la chapa del cuenco y luego con una abrazadera sujetar el conjunto.

Va a ser necesario mas adelante realizar un orificio en el cuenco para sacar los cables del calefactor. El cuenco se puede comprar en Macro por 3 euros.





El cuenco de la bomba debe estar sujeto en el cuenco aproximadamente a la mitad del espacio que queda. Durante el funcionamiento de la bomba el cuenco se calienta bastante ya que actúa como radiador.



A continuación se rellena el interior del cuenco con lana de vidrio o cualquier otro material aislante que soporte al menos 400 grados de temperatura. Posteriormente se cierra en cuenco con un circulo de aluminio que se atornilla mediante tres o mas tornillos rosca chapas.



Ventilación

La ventilación se fuerza sobre las aletas mediante un pequeño ventilador. El aire se confina para que atraviese las aletas mediante un recubrimiento de chapa de aluminio. Como se puede ver el la fotografía se realiza fácilmente plegando una chapa de aluminio de 0,8 mm y atornillándolo con rosca chapas.. El ventilador se fija a la chapa con cuatro tornillos M3 sobre un orificio del diámetro adecuado



En la fotografía anterior la bomba lleva acoplada un adaptador de QF40 a QF 25. La chapa deja una parte descubierta para que por ella salga el aire, que de paso refrigera la toma de bajo vacío. La conexión a la bomba rotatoria se ha hecho mediante tubo flexible de inox.

Lo mas cómodo es emplear un ventilador de 220 voltios, si no se dispone de este, puede emplearse uno lo mas grande posible de 12v, pero habrá que prever para alimentarlo a 220 v.

Como opción puede colocarse un interruptor térmico fijado mediante una brida al cuerpo de la cámara inmediatamente debajo del conducto de bajo vacío. De manera que el ventilador se conecte cuando este interruptor alcance los 70 ºC de temperatura y permanezca encendido depuse de haber apagado el calefactor durante el tiempo necesario. Puede colocarse igualmente de una toma de corriente y de un interruptor de encendido /apagado.

Atención, La resistencia calefactora es de 150 w. El modelo usado es la referencia 837-587, con unas dimensiones de 9,53 x 50,8 mm. Puede adaptarse cualquier otro calefactor de 150 w de potencia.

Pruebas de funcionamiento

Si se han seguido los pasos anteriores la bomba esta lista para funcionar. Solo falta cargarla de aceite.



Aquí puedes ver la bomba funcionando, tan solo faltan algunos detalles, como poner bien las tomas de corriente y un interruptor.

Durante las pruebas, conecte el calefactor de la bomba a través de un variac y dispuse de orificios en la base de la caldera y a lo largo del tubo para medir las temperaturas introduciendo en ellos sondas de termopar.

Conecte la bomba a la rotatoria y un medidor de vacío medio y a la salida un tubo de aproximadamente un litro de volumen y una sonda de alto vació de tipo magnetrón.

Durante unos días estuve jugando con la bomba para encontrar el punto óptimo de funcionamiento.

De aquí ha resultado que la potencia de calefacción optima es de 150 W y el volumen de aceite se sitúa en un mínimo de 15 cc y un máximo de 25 cc. El aceite seleccionado fue silicona Dow Corning 704 con una temperatura de ebullición de 215 ºC. y una presión de vapor de 10-10.

Conecte la calefacción y la bomba rotatoria aproximadamente al mismo tiempo, en unos segundos el vacío se aproximo a las 200 militorr. Luego bajo mas lentamente hasta alcanzar los 50 militorr. De vez en cuando se observaba una bajada en el vacío, esto de debe a que al calentarse el aceite expulsaba algún liquido o gas volátil. A los cuatro minutos y al aproximarse la temperatura de la base a la de ebullición del aceite de nuevo se observo una bajada de vacío. Esto se debe a que el aceite empezó a soltar vapores pero no en cantidad suficiente como para hacer el vacío. De repente se observo una caída de la presión y la bomba comenzó a funcionar. Desde que se conecto la bomba hasta que comenzó la aspiración pasaron aproximadamente 5 minutos.

El comportamiento descrito anteriormente en típico de todas las bombas de difusión. La primera vez lo hace muy notablemente después es mas suave, salvo que pase mucho tiempo entre uso y uso.

Un minuto aproximadamente después la presión estaba en 10 e -4 torr, dos minutos mas tarde en 5 x 10 e -5, cinco minutos después en 10 e -5, 15 minutos después en 5 x 10 -6, cuarenta minutos después en 3 x 10 e -6, cuatro horas después en 10 -6.

Seguramente habrá alguien que se escandalice de pensar que se necesitan 4 horas para conseguir 10 -6, el que se sorprenda lo hará porque nunca ha llegado tan lejos. Quiero decir que estos resultados para quien tenga experiencia en vacío serán excelentes.

De hecho posteriormente realice el mismo proceso en la misma cámara con una bomba turbo molecular Varian V60 y los resultados fueron ligeramente favorables a la difusora.

Apagado de la bomba

Para que la bomba se enfrie antes conviene cortar la alimentación del calefactor sin cortar la ventilación. Por eso yo controlo el ventilador con un interruptor térmico y solo abro o cierro el circuito de calefacción.

Al cortar la calefacción en poco menos de un minuto la bomba deja de aspirar. Enseguida baja la temperatura del aceite y cesa la aspiración. Sin embargo a partir de ahí la temperatura baja mucho mas lentamente. Esto se debe a que mientras el aceite esta hirviendo absorbe mucha energía del calefactor, esta energía deja de absorberse y la bomba solo pierde calor por conducción. Este comportamiento demuestra el buen diseño de la bomba y un eficaz aprovechamiento del calefactor.

Apertura y cierre de la bomba

Bajo ningún aspecto debe permitirse la entrada del aire a la bomba cuando este funcionando.

Si en condiciones de funcionamiento se soltase la toma de la bomba rotatoria la cámara de vacío absorbería el aire atmosférico a través de la bomba difusora arrastrando gran cantidad de vapores de aceite con lo cual la cámara y todo su contenido se pringaría de aceite. Total un desastre.

Si se parase la rotatoria mientras la difusora estuviese caliente el problema seria un poco mas suave pero no menos imprudente.

Si se abriese la toma de alto vacío en funcionamiento la bomba rotatoria podría absorber los vapores de aceite de la difusora, algo tampoco conveniente. Tampoco debe permitirse que la cámara se avente a través de las bombas aunque estas estén frías y apagadas.

Si se quiere hacer una instalación versátil, la bomba rotatoria debería conectarse por un lado a la cámara de vacío y por otro a la difusora, además se dispondría de una llave que cerrase el paso de la difusora a la cámara.



La primera bomba completa conectada con medidores y llaves de paso.


Al poner en marcha el sistema se abrirían las tres llaves de manera que se hiciesen los vacíos en todo el recinto. Y se conectaría la calefacción de la difusora. Mas o menos cuando el vacío se aproxima a 1 torr, se cierra el paso de la cámara a la rotatoria. Y se deja que ambas hagan el vacío en la cámara. Debe disponerse igualmente una llave para aventar la cámara.

Si se quiere cambia el interior de la cámara, se cierran las dos llaves de la campana (difusora y rotatoria) se abre el aventador, se manipula en la cámara y luego se cierra. Ahora se cierra durante un instante el paso de la difusora a la rotatoria y se abre el paso de la rotatoria a la cámara. Cuando la presión de la cámara es próxima a 1 torr se abren todas las llaves menos el aventador y un poco después se cierra la llave de la rotatoria a la cámara.

Si se opta por no poner el conjunto de llaves mencionados habrá que se precavido y dejar que la bomba se enfríe suficientemente antes de permitir que entre el aire en su interior. Como ya se ha comentado en aproximadamente un minuto la bomba deja de aspirar y en cuatro minutos mas la temperatura ha descendido lo suficiente para no esperar resultados adversos.

Esto es solo en el caso de que se emplee silicona ya que si empleamos otros aceites corremos el riesgo de que al someter el aceite a temperaturas elevadas en presencia de aire se oxide y se formen compuestos volátiles que perjudiquen su funcionamiento. En algunos casos la oxidación de los aceites provoca que se transformen el líquidos pastosos o grasa y sea necesario tirarlos y poner nuevo liquido.

La silicona por el contrario soporta mucho mejor el ataque del oxigeno en caliente y no sufre modificaciones. Por el contrario es mas cara aunque el consumo evidentemente es mínimo ya que solo son necesarios 25 cc para funcionar al menos un año. En mi caso he cambiado una vez al año la silicona pero por motivos diversos como una que vez me implotó una campana de pirex y se lleno la difusora de cristales.