¿Por qué elegir una bomba seca de vacío previo?

Científicos enfrían una nanopartícula hasta el límite cuántico
8 junio 2020
Antes de evaluar las distintas opciones de las que disponemos para seleccionar un equipo de vacío, debemos tener en cuenta que no existe una tecnología que podamos considerar “la mejor”. Las distintas tecnologías de generación de vacío disponibles brindan ventajas e inconvenientes que debemos sopesar antes de decidirnos por un equipo u otro, atendiendo entre otros factores a la velocidad de bombeo, vacío final, capacidad de trabajo a presiones alejadas del vacío final, nivel de ruido, consumo de energía, coste y periodicidad de los mantenimientos y precio.

Muchos investigadores requieren realizar sus ensayos en entornos de medio–alto vacío 10-5mbar a 10-9mbar. Es bien sabido que los equipos utilizados para alcanzar estos niveles de vacío no pueden, de forma general, descargar los gases evacuados directamente contra la presión atmosférica, requiriendo de equipos previos que reduzcan la presión atmosférica a valores del orden de 10-1mbar – 10-3mbar.

Entre los equipos más utilizados para generar medio–alto vacío se encuentran las bombas difusoras, utilizadas ampliamente por su facilidad de uso, alta velocidad de bombeo, altos niveles de vacío alcanzado y ausencia de vibraciones mecánicas. Sin embargo, ha habido una tendencia progresiva y generalizada de sustitución de esta tecnología por bombas turbomoleculares, que brindan niveles de vacío similares con la ventaja de no utilizar aceite para su funcionamiento. Algunos fabricantes de bombas turbomoleculares sí usan aceite en los rodamientos, aunque su concentración en las cámaras de vacío es varios órdenes de magnitud menor en comparación con los medidos cuando se usan bombas difusoras.

Las bombas utilizadas en el pasado para dar soporte a estos equipos, difusoras y turbomoleculares, eran principalmente bombas rotatorias de aceite, generalmente de doble etapa para alcanzar mejores niveles de vacío final, lo que redundaba en un menor esfuerzo, y por tanto consumo, por parte del equipo al que dan soporte.

Muchas aplicaciones relacionadas con: óptica, haces moleculares, microscopía electrónica, etc.. requieren también de equipos previos que no usen aceite. No tiene mucho sentido sustituir una bomba difusora por una turbomolecular en un sistema experimental y mantener como equipo de bombeo previo una bomba rotatoria de paletas de aceite. A veces se usan trampas de nitrógenos entre la rotatoria y la turbo, pero a largo plazo el coste de operación es muy superior al de inversión en un equipo de bombeo previo seco. Por este motivo, son muchos los fabricantes de bombas turbomoleculares que han facilitado opciones de vacío seco para dar soporte a sus equipos.

Los primeros equipos utilizados como opción seca fueron las denominadas bombas de diafragma o bombas de membrana. Ya existían como tal en el mercado, principalmente para dar soporte de vacío a la industria química y laboratorios de productos orgánicos. Ya que las membranas de estos equipos pueden ser de muchos materiales, resistentes al ataque químico, con amplios rangos de temperatura de uso y facilidad de cambio de las membranas tras largos ciclos de uso.

Las bombas de membrana, sin embargo, presentan niveles de vacío final pequeños, típicamente en el rango 10-1 mbar y pequeños caudales. 0,5 a 2 m3/h. Por este motivo se desarrollaron tecnologías de mayor caudal y vacío final, como son las scroll.

Las bombas scroll basan su funcionamiento en el movimiento excéntrico de una espiral que conforma un cajeado de volumen variable en el que el gas aspirado se va comprimiendo progresivamente. Las primeras scroll eran equipos muy ruidosos, en comparación con las bombas de aceite, y los niveles de vacío final distaban entre 1 y 2 órdenes de magnitud en comparación con estas últimas. El sello entre las pareces de la scroll se consigue gracias a una pequeña membrana, generalmente de teflón (Tip Seal).

Dado que las tolerancias de los mecanizados en la primeras scroll eran grandes, se usaba un tip seal bicompuesto, consistente en una capa de teflón y una espuma cuya función es presionar el teflón sobre el cajeado metálico en el que se desliza. Debido a esta fricción, el tip seal se va deteriorando con el tiempo, generando partículas que pueden contaminar nuestro proceso experimental. La espuma del tip seal también perdía elasticidad empobreciendo el nivel de sellado y, por ende, el vacío final alcanzado. Un tip seal bicompuesto tiene, de forma general, una vida útil de 1 año, siendo muchos los investigadores que reducen este periodo para facilitar su cambio, ya que si se extiende demasiado el periodo de mantenimiento la espuma del tip seal se incrusta en el cajeado de vacío haciendo muy tediosa su sustitución.

Debido a la reducción de tolerancias en los procesos de mecanizado, en la última década han aparecido en el mercado una nueva generación de scroll que utilizan un tip seal sólido, de un único material (teflón), que permite extender su utilización a periodos de 2 años. Como regla general, un tip seal bicompuesto genera un nivel de vacío final mejor en sus primeros meses de vida útil, en comparación con los tip seal monocumpuesto, pero este nivel de vacío empeora rápidamente mientas que en el caso de los tip seal monocompuesto el nivel de vacío final se mantiene prácticamente igual durante toda su vida últil.

Pese a que su fabricación es más económica, el coste de estos tip seal monocompuesto se situan en torno al doble del coste de los tip seal bicompuestos, pero nos brindan eso sí, la ventaja de extender el tiempo de mantenimiento. No evitan sin embargo la generación de partículas en suspensión, tanto para el proceso de vacío como para el entorno del laboratorio.

Al igual que ocurrió con las bombas de membrana, que provenían de otra área de aplicación como eran los laboratorios de química, una nueva tecnología esté emergiendo con fuerza y ha comenzado a sustituir a las scroll como principal equipo de bombeo primario: se trata de las bombas secas multiroot. Esta tecnología fue desarrollada, principalmente, para la industria química y la de semiconductores, donde se requieren bombas robustas, capaces de aspirar muchas partículas en suspensión y gases muy oxidantes provenientes de los procesos de fabricación de chips, obleas de silicio, etc..

Esta tecnología basa su funcionamiento en la variación de volumen generado entre 2 rotores mecanizados con “lóbulos” de longitud variable a lo largo de su eje rotación. El material puede estar reforzado mediante un recubrimiento que lo proteja de la oxidación en aplicaciones que consideraríamos agresivas (aspiración de agentes oxidantes, vapores orgánicos, etc…).

Son varias las ventajas que presenta esta tecnología en comparación con las scroll. La primera y más importante es que siendo una tecnología “seca” no se generan partículas sólidas que puedan contaminar las cámaras de vacío. La segunda es que algunos fabricantes de multiroots (Kashiyama, pej) posibilitan las aspiración ininterrumpida a presiones altas, es decir, muy alejadas del vacío final del equipo, sin que esto suponga un mayor deterioro o requieran de descansos para evitar sobrecalentamientos. Las bombas scroll por lo general no toleran estas condiciones de trabajo.

El mantenimento en una multiroot se realiza típicamente cada 3 años para aplicaciones que consideraríamos “sucias”, pero en aplicaciones limpias, como es en la mayoría de los equipos asociados a investigación, donde se da soporte a bombas turbomoleculares, estos periodos se pueden extenderse por encima de los 5 años.

En resumen:
5 años sin ningún tipo de intervención sobre el equipo en aplicaciones limpias.
• Capacidad de aspiración de vapores orgánicos y gases oxidantes.
• Vacíos finales en el rango de 1x10-2mbar.
• Ausencia de de aceite que pueda contaminar la cámara de vacío.
• Ausencia de partículas sólidas que puedan contaminar la cámara de vacío y el laboratorio.
• Alta capacidad de bombeo desde 7 m3/h hasta 300 m3/h.
• Posibilidad de trabajar a presiones alejadas del vacío final sin interrupción.
• Bajos consumos y nivel de ruido.

Por todo ello, las bombas multiroot constituyen una de las mejores opciones a tener en cuenta a la hora de seleccionar un equipo de bombeo previo.

En nuestra web podrá encontrar información en el amplio portfolio de Kashiyama, uno de los mayores fabricantes de estos equipos, con su serie Neodry, especialmente diseñada y fabricada para el mercado de investigación.