Bomba de difusión

Las bombas de difusión son bombas de alto vacío que utilizan chorros de vapor a alta velocidad para dirigir las moléculas de gas hacia el escape. Inventadas por Wolfgang Gaede en 1915, ^{[ 1 ]} se utilizan para producir alto y ultra alto vacío. Dado que no pueden descargar directamente a la atmósfera, requieren una bomba de respaldo mecánica.

El diseño original utilizaba mercurio como fluido de trabajo. Posteriormente, Irving Langmuir mejoró este diseño . Las bombas de difusión modernas suelen utilizar aceites de silicona, hidrocarburos o éteres de polifenilo como fluidos de trabajo.

Una desventaja importante de las bombas de difusión es la tendencia del fluido de trabajo a retroceder hacia la cámara de vacío, lo que puede contaminar equipos sensibles.

A finales del siglo XIX, la mayoría de los sistemas de vacío se creaban con una bomba Sprengel , que tenía la ventaja de ser muy sencilla de usar y capaz de alcanzar un vacío bastante bueno con el tiempo suficiente. Sin embargo, en comparación con las bombas posteriores, la velocidad de bombeo era muy lenta y la presión de vapor del mercurio líquido limitaba el vacío final.

Tras su invención de la bomba molecular , Wolfgang Gaede inventó la bomba de difusión en 1915, ^{[ 2 ]} y originalmente utilizó mercurio elemental como fluido de trabajo. Después de su invención, el diseño fue rápidamente comercializado por Leybold . ^{[ 3 ]} Posteriormente fue mejorado por Irving Langmuir , ^{[ 4 ]} y W. Crawford. CR Burch describió la posibilidad de utilizar aceite de silicona en 1928. ^{[ 5 ]}

Una bomba de difusión de aceite se utiliza para lograr un vacío mayor (presión menor) que el que se puede lograr con bombas de desplazamiento positivo únicamente. Aunque su uso se ha asociado principalmente con el rango de alto vacío, hasta 1 × 10⁻⁹ mbar ( 1 × ^10⁻⁷ Pa ) , las bombas de difusión actuales pueden producir presiones cercanas a ¹ × 10⁻¹⁰ mbar (1 × 10⁻⁸ ^Pa ) cuando se utilizan correctamente con fluidos y accesorios modernos. Las características que hacen que la bomba de difusión sea atractiva para su uso ^en alto y ultra alto vacío son su alta velocidad de bombeo para todos los gases y su bajo costo por unidad de velocidad de bombeo en comparación con otros tipos de bombas utilizadas en el mismo rango de vacío. Las bombas de difusión no pueden descargar directamente a la atmósfera, por lo que normalmente se utiliza una bomba de pre-bomba mecánica para mantener una presión de salida alrededor de 0,1 mbar (10 Pa) .      

La bomba de difusión de aceite funciona con un aceite de baja presión de vapor . El chorro de alta velocidad se genera al hervir el fluido y dirigir el vapor a través de un conjunto de boquillas. Cabe destacar que el aceite se encuentra en estado gaseoso al entrar en las boquillas. Dentro de las boquillas, el flujo cambia de laminar a supersónico y molecular . A menudo, se utilizan varias boquillas en serie para mejorar la acción de bombeo. La carcasa exterior de la bomba de difusión se refrigera mediante flujo de aire, tuberías de agua o una camisa llena de agua. Cuando el chorro de vapor impacta contra la carcasa exterior refrigerada de la bomba de difusión, el fluido de trabajo se condensa, se recupera y se dirige de nuevo a la caldera. Los gases bombeados continúan fluyendo hacia la base de la bomba a mayor presión, saliendo por la salida de la bomba de difusión, donde la bomba mecánica secundaria los comprime a la presión ambiente y se expulsan.

A diferencia de las bombas turbomoleculares y las criobombas , las bombas de difusión no tienen partes móviles y, por lo tanto, son muy duraderas y fiables. Pueden funcionar en rangos de presión de ^{1 × 10⁻¹⁰} a 1 × 10⁻² mbar ( 1 × 10⁻⁸ a 1 Pa) . Su funcionamiento se basa únicamente en la convección , por lo que ^{su eficiencia energética es} muy baja.  

Una desventaja importante de las bombas de difusión es la tendencia a que el aceite regrese a la cámara de vacío. Este aceite puede contaminar las superficies dentro de la cámara o, al entrar en contacto con filamentos calientes o descargas eléctricas, puede provocar depósitos carbonáceos o silíceos. Debido a este reflujo, las bombas de difusión de aceite no son adecuadas para su uso con equipos analíticos de alta sensibilidad ni para otras aplicaciones que requieran un entorno de vacío extremadamente limpio. Sin embargo, las bombas de difusión de mercurio sí pueden serlo en el caso de cámaras de ultra alto vacío utilizadas para la deposición de metales. A menudo se utilizan trampas de frío y deflectores para minimizar el reflujo, aunque esto conlleva cierta pérdida de velocidad de bombeo.

El aceite de una bomba de difusión no debe exponerse a la atmósfera cuando está caliente. Si esto ocurre, el aceite se oxidará y deberá reemplazarse. En caso de incendio, el humo y los residuos pueden contaminar otras partes del sistema.

El eyector de vapor es un tipo de bomba muy utilizado en la destilación al vacío y la liofilización . Un chorro de vapor arrastra el vapor que debe extraerse de la cámara de vacío. Los eyectores de vapor pueden tener una o varias etapas, con o sin condensadores entre ellas. Si bien tanto los eyectores de vapor como las bombas de difusión utilizan chorros de vapor para arrastrar el gas, funcionan con principios fundamentalmente diferentes: los eyectores de vapor se basan en el flujo viscoso y la mezcla para bombear el gas, mientras que las bombas de difusión utilizan la difusión molecular. Esto tiene varias consecuencias. En las bombas de difusión, la presión de entrada puede ser mucho menor que la presión estática del chorro, mientras que en los eyectores de vapor ambas presiones son prácticamente iguales. Además, las bombas de difusión son capaces de alcanzar relaciones de compresión mucho mayores y no pueden descargar directamente a la atmósfera.

• Bomba turbomolecular
• Bomba de vacío
• Aspirador (bomba)

• Una bomba de difusión de aceite construida con vidrio por la Universidad Estatal de Arizona.

• Hablanian, MH (1994) [1983]. Bombas de difusión  : rendimiento y funcionamiento . Serie de monografías de la AVS (2.ª  ed.). Nueva York, NY: American Vacuum Society. ISBN 1-56396-384-1.