IV. LOS DISPOSITIVOS PARA HACER VAC�O

LOS egipcios y los chinos, con el invento del fuelle con v�lvulas para inyectar aire a los hornos, hac�an vac�o sin saberlo: al abrir el fuelle, se llenaba de aire por el vac�o que se provocaba dentro de �ste.

Viajemos un poco en el tiempo hasta el momento en que apareci� la primera bomba de aire. En el siglo XVII, Otto von Guericke hizo una contribuci�n importante a la ciencia con su invenci�n de la bomba de aire, considerada como una de las cuatro invenciones del siglo (los otros inventos fueron: el telescopio, el microscopio y el reloj de p�ndulo).

Von Guericke adapt� en 1640 a un tonel de madera una bomba de agua, despu�s lo llen� con agua y lo clausur�. Con la ayuda de varios hombres procedi� a sacar el agua. El bombeo se prolong� despu�s de vaciado el tonel, lo que caus� la precipitaci�n del aire a trav�s de los poros de la madera. Este suceso lo motiv� a ocuparse en otro experimento: la fabricaci�n de una esfera de cobre a la que se le pod�a colocar una bomba. Omiti� el agua y bombe� directamente el aire. Cuando hab�a extra�do aparentemente todo el aire, la esfera se deform� de manera repentina (sufri� un efecto de compresi�n) debido a la presi�n atmosf�rica.

A partir de estos experimentos lleg� a crear la bomba de aire (Figura IV.1). Esta era esencialmente igual a una bomba de agua y ten�a v�lvulas manuales. Contaba con una construcci�n m�s cuidadosa ya que estaba herm�ticamente sellada alrededor del cilindro y las v�lvulas. En principio, la �nica diferencia entre tales bombas para crear vac�o y las usadas para extraer agua es que el trabajo se realiza jalando en lugar de empujando, con una correspondiente secuencia de v�lvulas.

El experimento m�s famoso de Von Guericke fue el llamado de Los hemisferios de Magdeburgo, que consist�a en un par de semiesferas unidas y dentro de ellas se hac�a el vac�o. La esfera as� formada era separada con gran dificultad por un equipo de ocho caballos en cada lado (Figura IV.2). Este experimento fue presentado ante un peque�o grupo de espectadores cerca de Reichstag, aproximadamente en 1654. Tiempo despu�s el espect�culo se present� ante el emperador y su corte y alcanz� tal fama que se llev� en exhibici�n por toda Europa.

Durante largo tiempo, las bombas de vac�o no fueron llamadas bombas de vac�o. Von Guericke las llamaba jeringas; Boyle, m�quinas neum�ticas; despu�s el t�rmino de bomba de aire fue establecido. El uso de la palabra bomba para este invento, en vez de compresor de aire rarificado, se hizo relacion�ndolo con el agua.

Figura IV.1. Bombas de aire de Von Guericke usada en la demostraci�n en Berl�n y Magdeburgo.

En t�rminos generales, la historia del desarrollo de las bombas de vac�o puede ser trazada como sigue: primero, se realiz� la modificaci�n de las bombas de agua existentes con pistones y v�lvulas, las cuales dejaron de utilizarse a finales del siglo XIX. Entonces se volvi� a un concepto m�s primitivo de bombas de pist�n de mercurio l�quido. Despu�s se estableci� el uso de bombas mec�nicas rotatorias, seguidas de adaptaciones de bombas de vapor, turbomaquinaria y, por �ltimo, de bombas basadas en fen�menos de ionizaci�n, combinaci�n qu�mica y adsorci�n criog�nica.

Figura IV.2. Experimento de hemisferios de Magdeburgo.

TABLA I. Historia de la bombas de vac�o

Año	Autor	Descubrimiento
Siglo VIII	Hauskbee y Nollet	Mejoras a la bomba de Von Guericke
1850	Geissler y Toepler	Bomba de columna de Hg
1865	Sprengel	Bomba de gota de Hg
1905	Wolfgang Gaede	Bomba de vacío o rotatoria
1913	Wolfgang Gaede	Bomba molecular de vacío
1915	Wolfgang Gaede	Bomba de difusión
1916	Irving Langmuir	Condensación-difusión
1923	F. Holweck	Bomba molecular
1935	Wolfgang Gaede	Bomba de balastra
1936	Kenneth Hickman	Bomba de difusión de aceite
1953	Schwartz y Herb	Bomba iónica
		Bomba criogénica

La tecnolog�a actual del vac�o permite obtener vac�os que van desde casi la presi�n atmosf�rica hasta 10^-13 torr mediante una gran variedad de sistemas de bombeo. El dispositivo conveniente para hacer vac�o depende de cu�l sea la aplicaci�n que se le quiera dar.

PAR�METROS Y CLASIFICACIONES DE LAS BOMBAS DE VAC�O

La selecci�n de la bomba de vac�o que va a emplearse para un cierto proceso est� definida por sus par�metros espec�ficos, los cuales determinan sus propiedades. Los par�metros m�s importantes de los sistemas de vac�o son: la presi�n m�s baja que puede lograr, el intervalo de presi�n, la velocidad de bombeo, la presi�n de descarga y el gas residual. Un ejemplo de la utilizaci�n de bombas en un sistema t�pico de alto vac�o se ilustra en la figura IV.3.

Figura IV.3. Secci�n transversal esquem�tica de un sistema industrial de vac�o.

Por otra parte, la clasificaci�n de las bombas de vac�o se presenta en la figura IV.4 de acuerdo con su intervalo de presi�n.

Figura IV.4. Rasgos de presi�n para bomba de vac�o.

DESCRIPCI�N BREVE DE ALGUNAS BOMBAS DE VAC�O

Las bombas mec�nicas. Una de las primeras fue la bomba de Sprengel, que hoy en d�a tiene s�lo inter�s hist�rico. Fue usada en la primera f�brica de l�mparas. Esta bomba se basa en el principio ilustrado en la figura IV.5. Las gotas de mercurio introducidas en el capilar capturan entre ellas burbujas de aire; de esta manera, el sistema evacua el aire del lado del tubo C, llev�ndolo a trav�s del mercurio hacia la parte de abajo, a la atm�sfera.

Hoy en d�a existen otros tipos de bombas mec�nicas como las bombas de pist�n, bombas de anillo de agua, bombas de paleta rotatoria, bomba tipo Roots, etc. Las bombas de paleta rotatoria son un ejemplo claro del funcionamiento de este tipo de bombas, �stas consisten en un espacio cil�ndrico (estator) que alberga a un cilindro de di�metro menor que gira dentro de �l (rotor). En el rotor, las paletas se encuentran sujetas por medio de un resorte.

Figura IV.5. bomba de Sprengel.

La bomba de paletas rotatorias posee dos ductos, uno de dimensiones mayores respecto al otro. El ducto mayor da al exterior de la bomba (conexi�n con la c�mara a desalojar), y dentro de la bomba hasta el estator; es considerado como la entrada al estator. Por otra parte, el ducto peque�o es la salida del estator y conduce a un recipiente parcialmente lleno de aceite. Al final del ducto menor se coloca una v�lvula de descarga, la cual regula la salida de gas del estator al recipiente. El recipiente a su vez tiene salida al exterior de la bomba.

El funcionamiento de la bomba de paletas rotatorias es sencillo: al girar el rotor provoca que las paletas se deslicen sobre las paredes del estator (con una presi�n uniforme debido al resorte que sostiene a las paletas), esto permite la entrada del gas entre el estator y el rotor; despu�s se mueve el volumen de gas contenido en esta regi�n hasta la salida del estator. La figura IV.6 presenta esta operaci�n en detalle.

Las bombas de vapor. Un ejemplo de este tipo de bombas de vac�o es la bomba de difusi�n. La ventaja de este tipo de bomba para crear alto vac�o, comparado con las bombas mec�nicas, es que puede producir mayor velocidad de bombeo con el mismo tama�o, peso y costo. El primer dise�o fue creado por Gaede pensando en t�rminos de la teor�a cin�tica de los gases. La acci�n de bombeo fue dise�ada para la difusi�n del aire dentro de una nube de mercurio. Las bombas de difusi�n usan aceite o mercurio como fluido de bombeo (Figura IV.7).

La bomba de difusi�n es capaz de evacuar gas con alta eficiencia hasta presiones que no excedan 0.02 torr y una presi�n de descarga menor que 0.5 torr; no es posible que esta bomba funcione de manera independiente, se requiere de una bomba adicional para reducir la presi�n de la c�mara hasta que la bomba de difusi�n pueda operar.

En un sistema t�pico de alto vac�o, la bomba de difusi�n toma lugar entre la bomba mec�nica y la c�mara a evacuar. Estas bombas se construyen de acero inoxidable o aluminio, aunque muchas bombas de tama�o reducido se fabrican de vidrio y algunas tienen cubiertas de este material con chimeneas de metal.

Figura IV.6. Bomba mec�nica de paleta rotatoria en acci�n. A) Las paletas deslizantes se mueven cuando el rotor gira. El volumen entre la entrada y la paleta inferior es incrementado; esto causa que el gas se mueva dentro de esta �rea desde la entrada. B) El gas ha sido aislado del sistema de vac�o y comienza a empujarse hacia la v�lvula de descarga. C) El gas se comprime ligeramente arriba de la presi�n atmosf�rica. La v�lvula de descarga se abre y el gas es expulsado fuera de la bomba a trav�s del aceite en el recipiente.

Figura IV.7. Bomba de difusi�n. El fluido de bombeo se calienta hasta que se evapora mediante un calentador situado al fondo de la bomba. El vapor se eleva y es deflectado hacia abajo, tray�ndose consigo las mol�culas de gas de la c�mara (puntos negros).

Figura IV.8. Bomba criog�nica.

Los aceites usados como fluidos de bombeo est�n hechos de compuestos a base de silicio y pueden producir presiones del orden de 10^-7 torr.

Las bombas de mercurio son usadas cuando se quiere evitar contaminaci�n de hidrocarburos que afecten al sistema.

Las bombas criog�nicas (de baja temperatura). Se usan en aplicaciones espec�ficas de ultra alto vac�o. Una criobomba es una bomba de vac�o que tiene una superficie interna enfriada a temperaturas menores a los 120°K, donde los gases y vapores se condensan. En esta superficie se inmovilizan las mol�culas de gas, lo cual disminuye la presi�n del sistema. La superficie fr�a est� colocada dentro de la c�mara de vac�o.

Existen varios mecanismos mediante los cuales se capturan los gases sobre la superficie fr�a, los m�s importantes se pueden representar por medio de las criotrampas y la criosorci�n.

Una trampa de vapor enfriada con nitr�geno l�quido act�a como una criobomba. El t�rmino criotrampa se usa para la condensaci�n de gases dificilmente condensables, por ejemplo el H₂, Ar, CH₄, CO₂, NH₃ y los hidrocarburos pesados.

La criosorci�n se refiere a la captura de un gas con bajo punto de ebullici�n (dif�cil de condensar), efectuada por la adsorci�n sobre un gas condensado de alto punto de ebullici�n (f�cilmente condensable). Un ejemplo es la criosorci�n de H₂ sobre un s�lido condensado de NH₃ (Figura IV.8).